基于壓電俘能技術(shù)的傳感器供電模塊設(shè)計案例分析報告目錄TOC\o"1-3"\h\u27231基于壓電俘能技術(shù)的傳感器供電模塊設(shè)計案例分析報告 199261.1走行部振動數(shù)據(jù)采集和特征分析 1216111.1.1振動數(shù)據(jù)采集試驗 281011.1.2振動特征分析 529211.2傳感器供電模塊設(shè)計 7168851.2.1壓電振子結(jié)構(gòu)設(shè)計及諧振頻率分析 7190031.2.2基于參數(shù)化建模的壓電振子頻率匹配 985411.2.3發(fā)電性能試驗 12125531.3傳感器供電模塊軸箱安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計 14215011.1.1軸箱安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計 144231.1.2軸箱安裝結(jié)構(gòu)有限元分析 14地鐵車輛走行部在輪軌作用力下，具有豐富得振動能量，利用蓬勃發(fā)展的壓電式振動能量收集技術(shù)將走行部的機械振動能轉(zhuǎn)化為電能以實現(xiàn)傳感器的自驅(qū)動工作是一個可行的方案。本章首先通過采集和分析地鐵車輛走行部分振動數(shù)據(jù)以及對壓電陶瓷發(fā)電原理的研究，設(shè)計了一種基于壓電陶瓷的雙端固支式壓電振子結(jié)構(gòu)。其次，利用參數(shù)化建模和有限元法確定壓電振子結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)，使得壓電振子的工作頻域與軸箱振動能量集中的頻段重合，搭建發(fā)電試驗平臺驗證，將所設(shè)計的雙端固支式壓電振子組成14個并聯(lián)陣列式模塊時，可以滿足2個加速度傳感器的功耗需求；最后，為了保證該模塊能夠可靠地安裝在軸箱上，根據(jù)軸箱的振動情況和結(jié)構(gòu)特點設(shè)計了一個傳感器供電模塊安裝結(jié)構(gòu)，應(yīng)用有限元分析軟件分析了安裝結(jié)構(gòu)的沖擊強度、模態(tài)和疲勞壽命。1.1走行部振動數(shù)據(jù)采集和特征分析振動能量采集器諧振時有最大的能量轉(zhuǎn)換效率，但是其固有頻率不會隨著外界激勵頻率改變而導(dǎo)致工作頻帶寬度較窄，對于特定的一些應(yīng)用環(huán)境，一般都會有一些振動能量密度大的主導(dǎo)頻率，要最大化壓電式振動能量收集裝置輸出功率，裝置的諧振頻率必須與運營中地鐵車輛走行部的振動主導(dǎo)頻率一致[54,55]，進行走行部振動數(shù)據(jù)采集試驗，獲取構(gòu)架和軸箱的振動數(shù)據(jù)，分析并比較振動二者振動能量的差別，為傳感器供電模塊和安裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。1.1.1振動數(shù)據(jù)采集試驗地鐵車輛走行部主要包括輪對、軸箱、一系簧、構(gòu)架和二系簧，軸箱與輪對通過軸承剛性連接，直接承受來自輪軌作用力的劇烈沖擊，構(gòu)架由一系簧固定在軸箱上，經(jīng)過一系簧減震，振動的強度會低于軸箱振動。為了定量分析軸箱和構(gòu)架的振動特征，對上海地鐵5號線阿爾斯通地鐵車輛運行時軸箱和構(gòu)架的振動加速度進行實車采集，主要測試設(shè)備有DFT1301型加速度傳感器和有線的Wavebook516E數(shù)據(jù)采集儀。表3-1為軸箱振動加速度采集主要參數(shù)，圖3-1給出了振動軸箱和轉(zhuǎn)向架振動數(shù)據(jù)測試走線方案，傳感器線從地鐵車輛車門拉入，測試現(xiàn)場如圖3-2所示。車輛運行狀態(tài)為0?10s車輛加速，10?35s車輛勻速40km/h，35?45s車輛減速。表3-1軸箱振動加速度采集主要參數(shù)Tab.3Mainparametersofaxleboxvibrationaccelerationcollectiontest序號參數(shù)數(shù)值1采樣頻率/kHz102總時長/s453總里程/m3854速度/(km/h)40圖3-1車下振動數(shù)據(jù)采集試驗總體方案Fig.3-1Theoverallplanofunder-vehiclevibrationdatacollectiontest (a)構(gòu)架振動采集傳感器安裝位置 (b)軸箱振動采集傳感器安裝位置 (c)加速度傳感器走線方案 (d)數(shù)據(jù)采集儀和上位機 (e)數(shù)據(jù)采集上位機 (f)數(shù)據(jù)采集編程界面圖3-2走行部振動數(shù)據(jù)采集試驗Fig.3-2Runningdepartmentvibrationdatacollectiontest圖3-3為構(gòu)架振動加速度隨時間變化曲線，由構(gòu)架振動時域歷程可以看出構(gòu)架的振動加速度峰值在±2g以內(nèi)，根據(jù)表2-4無線數(shù)據(jù)采集儀的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，所選用的DH5928W無線數(shù)據(jù)采集儀抗沖擊為100g，所以把無線數(shù)據(jù)采集儀布置在構(gòu)架上是可行的。圖3-3構(gòu)架垂向振動時域歷程Fig.3-3Timedomainhistoryoftheverticalvibrationofthebogie由圖3-4可知，時域上，軸箱三個方向的振動加速度峰值出現(xiàn)的時間基本一致，各向最大沖擊加速度分別為垂向76g，橫向25g，縱向32g；(a)軸箱垂向振動加速度(b)軸箱橫向振動加速度(c)軸箱縱向振動加速度圖3-4軸箱振動時域歷程Fig.3-4Timedomainhistoryofaxleboxvibration1.1.2振動特征分析為了進一步描述軸箱和構(gòu)架的振動特征，基于Welch方法，采用功率譜密度表征振動特征，得到振動信號在不同頻段上的能量分布。將采樣序列x(n)分為K段，每段長度M，對每一個子段加上長度為N的漢寧窗w(n)： (3-11)x(n)的Welch功率譜估計Pw： (3-12)式中，Si(ω)為加窗的第i段信號，U為歸一化因子。 (3-13) (3-14)根據(jù)式3-12利用Matlab數(shù)據(jù)處理軟件對所采的軸箱與轉(zhuǎn)向架振動數(shù)據(jù)進行處理得到構(gòu)架和軸箱對應(yīng)的功率譜密度如圖3-5至3-6所示，表4給出了振動能量頻域分布。對功率譜密度進行積分得到表征信號強度的均方值，軸箱分別為垂向2.22g2、橫向0.36g2、縱向0.42g2，構(gòu)架垂向0.01g2。軸箱垂向的振動功率分別是橫向和縱向的6.17倍、5.29倍，是構(gòu)架垂向的222倍，軸箱振動能量的絕大部分都被一系簧衰減，因此除了輪對，地鐵車輛走行部振動最為劇烈的部位為軸箱，軸箱振動最劇烈的方向為垂向。圖3-5構(gòu)架振動加速度功率譜密度Fig.3-5Framevibrationaccelerationpowerspectraldensity(a)軸箱垂向功率譜密度(b)軸箱橫向功率譜密度(c)軸箱縱向功率譜密度圖3-6軸箱振動加速度功率譜密度Fig.3-6Axleboxvibrationaccelerationpowerspectraldensity表3-2振動能量頻域分布Tab.3-2Frequencydomaindistributionofvibrationenergy位置方向主頻/Hz頻寬/Hz軸箱垂向638899995橫向6475534100縱向6410053590997100構(gòu)架垂向104802179056960969601.2傳感器供電模塊設(shè)計傳感器供電模塊的核心部件為壓電振子，合理地設(shè)計壓電振子的結(jié)構(gòu)尺寸使其諧振頻率與環(huán)境振動的主導(dǎo)頻率一致是保證振動能量收集效率的關(guān)鍵。另外，壓電振子產(chǎn)生的交流電需要整流控制電路轉(zhuǎn)換為直流以供傳感器使用，本文采用常用的LTC3588-1為芯片的整流電路，原理設(shè)計成熟，不再對其進行詳細敘述。1.2.1壓電振子結(jié)構(gòu)設(shè)計及諧振頻率分析懸臂梁式壓電振子結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便，且能夠有效地采集自然低頻環(huán)境中的能量，因而得到了廣泛的研究。但由于懸臂梁壓電振子長寬比較大，其承載能力比較低，在地鐵車輛輪軌沖擊高載荷情況下，容易產(chǎn)生疲勞而折斷導(dǎo)致無法正常工作，大面積的壓電陶瓷更容易斷裂，采用小面積、陣列式壓電振子結(jié)構(gòu)設(shè)計以達到加速度傳感器的功耗需求，又可以滿足軌道車輛嚴苛的耐久性使用要求。為了提高壓電梁的抗沖擊能力，設(shè)計了一種雙端固支的矩形壓電振子如圖3-7所示，設(shè)壓電振子的對稱中心點為O，l、b、h分別為壓電振子基底的長、寬、高，m為質(zhì)量塊質(zhì)量。該結(jié)構(gòu)由金屬基底、壓電陶瓷和質(zhì)量塊構(gòu)成，金屬基底兩端固定，壓電陶瓷貼附在金屬基底表面，質(zhì)量塊調(diào)節(jié)壓電振子的諧振頻率。當(dāng)壓電陶瓷受外力作用時，會發(fā)生機械形變產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，從而將機械振動能轉(zhuǎn)換為電能。圖3-7雙端固支式壓電振子結(jié)構(gòu)圖Fig.3-8Structurediagramofadouble-endedfixed-supportedpiezoelectricvibrator雙端固支式壓電振子為左右對稱結(jié)構(gòu)，壓電振子的撓度也左右對稱分布[56]，則與中心O點距離x的撓度為： （3-15） （3-16）式中，為壓電振子基底的泊松比，E為壓電振子基底的楊氏模量，a為振動加速度，為壓電振子基底中心點的撓度。壓電振子基底表面橫向應(yīng)變?yōu)椋? （3-17）將式3-15和3-15代入3-17式求得： （3-18）由式3-18可以得到壓電陶瓷粘貼在壓電振子固定端的時候能夠獲得最大應(yīng)變，在保證壓電陶瓷長期使用且不產(chǎn)生裂紋的前提下，壓電陶瓷越靠近固定端所產(chǎn)生的電能輸出也將越大。壓電振子的等效剛度K計算公式為： （3-19）可以求出壓電振子的主頻為： （3-20）從式3-20可以看出壓電振子的主頻與其幾何尺寸、材料和質(zhì)量塊的質(zhì)量有關(guān)。1.2.2基于參數(shù)化建模的壓電振子頻率匹配本文基于ANSYSWorkBench軟件參數(shù)化建模功能模塊，對壓電振子進行參數(shù)化建模以確定其諧振頻率與軸箱振動主頻匹配。參數(shù)化建模是將對幾何圖形啟約束作用的尺寸定義為設(shè)計參數(shù)，在結(jié)構(gòu)整體的尺寸變化不大的前提下，不斷迭代微調(diào)某一個或者幾個設(shè)計參數(shù)后進行有限元仿真，在仿真結(jié)果達到目標(biāo)值時停止迭代而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計[57]。為使得分析簡化，快速找到固有頻率與軸箱振動頻段重合的壓電振子結(jié)構(gòu)尺寸，根據(jù)地鐵車輛軸箱的實際尺寸和安裝條件，建模參數(shù)如表3-3，選定質(zhì)量塊的厚度為迭代對象，通過改變質(zhì)量塊的質(zhì)量從而調(diào)整壓電振子的諧振頻率。運用ANSYSWorkbench內(nèi)置的幾何建模軟件DesignModeler，建立如圖3-8所示的壓電振子幾何模型。若需要將模型的某一個尺寸設(shè)置為設(shè)計參數(shù)，點擊圖3-8（b）“V1”尺寸前面的空白方框，在出現(xiàn)的參數(shù)命名彈窗對設(shè)計參數(shù)進行命名（支持中文命名），就完成了尺寸的參數(shù)化。為了方便地管理設(shè)計參數(shù)，回到ANSYSWorkbench主界面，雙擊ParameterSet圖標(biāo)，所有地設(shè)計參數(shù)都會在表格中顯示，支持使用表達式建立參數(shù)之間的相互約束關(guān)系，圖3-8（c）表達式計算的是質(zhì)量塊長邊到基底短邊的距離等于基底的長度與質(zhì)量塊寬度差的一半，通過這個表達式約束了質(zhì)量的對稱面與基底的對稱面重合。 (a)壓電振子模型 (b)設(shè)置尺寸為參數(shù)(c)參數(shù)間的表達式計算圖3-8壓電振子參數(shù)化建模Fig.3-8Parameterizedmodelingofpiezoelectricvibrator表3-3主要設(shè)計參數(shù)Tab.3-3Maindesignparameters序號設(shè)計參數(shù)尺寸/mm序號設(shè)計參數(shù)尺寸/mm1基底長l1806質(zhì)量塊厚h2待優(yōu)化2基底寬b1307壓電陶瓷長l3253基底厚h10.28壓電陶瓷寬b3154質(zhì)量塊長l2259壓電陶瓷厚h30.25質(zhì)量塊寬b21010壓電陶瓷與質(zhì)量塊距離d5對壓電振子進行模態(tài)分析，質(zhì)量塊的厚度從4mm至1mm遞減迭代，步長0.5mm，表3-4給出了所用的材料屬性參數(shù)。設(shè)置約束條件：基底端部固定約束，壓電陶瓷與基底接觸設(shè)為綁定，質(zhì)量塊與基底接觸設(shè)為綁定。采用六面體有限元網(wǎng)格劃分如圖3-9所示，單元尺寸為2mm。表3-4壓電振子材料參數(shù)Tab.3-4Materialparametersofpiezoelectricvibrator序號材料密度/（g/cm3）楊氏模量/GPa泊松比1PZT-5A7.5400.322黃銅8.31100.34圖3-9壓電振子網(wǎng)格劃分Fig.3-9Meshdivisionofpiezoelectricvibrator對于不同厚度質(zhì)量塊的壓電振子，一階模態(tài)振型如圖3-10所示，圖3-11給出了質(zhì)量塊厚度與壓電振子一階模態(tài)頻率的圖形曲線關(guān)系，從圖中可以看出隨著質(zhì)量塊厚度不斷減小，壓電振子一階模態(tài)頻率隨之升高，在1.5mm時，壓電振子一階模態(tài)頻率為61.01Hz，與軸箱振動特征基本吻合，因此確定質(zhì)量塊厚度為1.5mm，在基底上下各固定一塊，可以將壓電振子的一階固有頻率調(diào)整到軸箱振動能量集中的頻段。 (a)4mm一階模態(tài)振型 (b)1.5mm一階模態(tài)振型 (c)1.0mm一階模態(tài)振型 (d)2.5mm一階模態(tài)振型 (e)2.0mm一階模態(tài)振型 (f)1.5mm一階模態(tài)振型圖3-10質(zhì)量塊不同厚度下的壓電振子一階模態(tài)振型Fig.3-10Thefirst-ordermodeshapeofthepiezoelectricvibratorunderdifferentthicknessesofthemassblock圖3-11質(zhì)量塊厚度與壓電振子一階模態(tài)頻率關(guān)系Fig.3-11Therelationshipbetweenthethicknessofthemassandthefirst-ordermodalfrequencyofthepiezoelectricvibrator1.2.3發(fā)電性能試驗圖3-12給出了壓電振子制備的工藝流程，在粘貼前先使用丙酮溶液清洗基底和壓電陶瓷表面的灰塵等雜質(zhì)[58]，使用環(huán)氧樹脂將壓電陶瓷粘貼固定在基底表面，通過焊接的方式引出電極。制備的壓電振子實物如圖3-13，長80mm、寬30mm，基底材料為鈹銅，壓電陶瓷型號為PZT-5A。圖3-12壓電振子制備工藝流程Fig.3-12Themanufacturingprocessofpiezoelectricvibrator圖1.13壓電振子試驗樣件Fig.1.13Piezoelectricvibratortestsample圖3-14給出驗證壓電振子發(fā)電特性的試驗平臺，該平臺主要由壓電振子、激振器、功率放大器、振動控制器、10kΩ負載、示波器和控制電腦組成的，表3-5給出了主要設(shè)備的型號。設(shè)置激振器產(chǎn)生幅值為1.5g，頻率為63Hz的正弦振動，激勵壓電梁產(chǎn)生的交流電壓波形如圖3-15所示，峰值電壓為10.5V，功率為5.5mW。對于單個牽引電機，共需要兩個加速度傳感器分別采集主動端和從動端的軸承振動數(shù)據(jù)，則總共的功耗為72mW，需要14片壓電振子組成陣列為傳感器供電模塊以驅(qū)動傳感器的正常工作。圖3-14壓電振子發(fā)電特性試驗平臺Fig.3-14Testplatformforpowergenerationcharacteristicsofpiezoelectricvibrator表3-5試驗平臺主要設(shè)備型號Table3-5Mainequipmentmodelsofthetestplatform序號設(shè)備型號1振動控制器ECONVT-90022功率放大器DFT-27153激振器DFT-90504示波器KEYSIGHTDSOX-4054A圖3-15壓電振子輸出電壓波形Fig.3-15Outputvoltagewaveformofpiezoelectricvibrator1.3傳感器供電模塊軸箱安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計受輪軌作用力的影響，軌道車輛軸箱處振動劇烈，如何實現(xiàn)軸箱處振動能量收集裝置的可靠安裝實現(xiàn)振動能量收集裝置可靠工作的基本前提。因此，通過設(shè)計合理的軸箱安裝結(jié)構(gòu)不僅是解決振動能量收集裝置可靠安裝的關(guān)鍵，也是保障軸箱振動能量有效收集的物理基礎(chǔ)。機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析通常進行力學(xué)分析獲取結(jié)構(gòu)的載荷及約束，使用有限元法得到結(jié)構(gòu)固有頻率和內(nèi)部應(yīng)力及變形，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及分析。1.1.1軸箱安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計圖3-16(a)為車輛軸箱的實物圖，考慮到軸箱的總布置及后續(xù)裝配的便利性，根據(jù)車輛運行時軸箱的振動特征分析，安裝支架下部為弧形，設(shè)兩個螺栓孔，利用端蓋的上部兩個螺栓將支架固定在軸箱上，支架上表面為能量收集裝置的安裝面，所設(shè)計出的安裝結(jié)構(gòu)如圖3-16(b)所示，從輕便和強度角度考慮，安裝結(jié)構(gòu)選用6061-T6鋁合金材料。 （a）安裝位置 （b）軸箱安裝結(jié)構(gòu)圖3-16傳感器供電模塊軸箱安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.3-16Axleboxinstallationstructuredesignofthesensorpowersupplymodule1.1.2軸箱安裝結(jié)構(gòu)有限元分析將軸箱安裝結(jié)構(gòu)的幾何模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYSWorkbench中，表3-6給出了所用的材料屬性參數(shù)。根據(jù)實際安裝情況設(shè)置約束條件：螺栓與安裝結(jié)構(gòu)接觸部分為有摩擦接觸，摩擦系數(shù)取0.15，螺栓擰緊在軸箱螺栓孔的便面設(shè)為綁定接觸。由安裝結(jié)構(gòu)和螺栓的形狀較為規(guī)則，采用六面體為主的有限元網(wǎng)格劃分如圖3-17所示，安裝結(jié)構(gòu)的單元尺寸為5mm，螺栓的單元尺寸為3mm，共創(chuàng)建1.1萬個單元，2.9萬個節(jié)點。表3-6材料屬性參數(shù)Tab.3-5Materialpropertyparameters結(jié)構(gòu)材料屈服強度/MPa彈性模量/GPa密度/(g/cm3)螺栓45#鋼6402107.80傳感安裝結(jié)構(gòu)6061-T6鋁合金280692.85圖3-17網(wǎng)格劃分Fig.3-17Meshdivision考慮到螺栓的預(yù)緊作用，端蓋承受螺栓預(yù)緊力FPT，其大小與螺栓的標(biāo)準(zhǔn)扭矩T的關(guān)系如下[59]： (3-24)式中，T為螺栓標(biāo)準(zhǔn)扭矩110N·m，k為螺栓扭矩系數(shù)0.2，d為螺栓公稱直徑16mm，代入計算得到螺栓預(yù)緊力為34.38kN。對螺栓施加預(yù)緊力FPT，上端面施加200N的傳感器供電模塊的垂直載荷，施加三個方向的最大沖擊加速度垂向為76g，橫向為25g，縱向為32g。依據(jù)第四強度理論[60]，采用Von-Mises等效應(yīng)力作為安裝結(jié)構(gòu)和螺栓的靜強度評價指標(biāo)。為獲取傳感安裝結(jié)構(gòu)對螺栓的剪切作用，采用最大剪切應(yīng)力作為螺栓的靜強度評價指標(biāo)。有限元計算結(jié)果如圖3-18至3-20所示。對于塑性材料許用剪切應(yīng)力與屈服應(yīng)力關(guān)系為[61]，取極限系數(shù)0.6，得螺栓的許用剪切應(yīng)力。軌道車輛走行部件的許用安全系數(shù)[n]=1.5[62]，由圖3-19至3-20可看出，安裝結(jié)構(gòu)的最大Von-Mises等效應(yīng)力為21.26MPa，安全系數(shù)為12.04。螺栓的最大剪切應(yīng)力為162.56MPa，安全系數(shù)為2.36，以上均大于許用安全系數(shù)。圖3-18安裝結(jié)構(gòu)Von-Mises等效應(yīng)力云圖Fig.3-18Von-Misesequivalentstressclouddiagramofinstallationstructure圖3-20螺栓最大剪切應(yīng)力云圖Fig.3-20Maximumshearstressclouddiagramofbolts對安裝結(jié)構(gòu)進行約束模態(tài)分析，以獲得其固有頻率和振型。根據(jù)軸箱振動特征，選取裝配體的前6階模態(tài)為分析對象，其仿真分析結(jié)果如圖3-21和表3-7所示。 （a）1階 （b）2階 （c）3階 （d）