CN103731065A - 基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置，包括无线监控装置和多向压电振动能量收集装置，多方向压电振动能量收集装置为无线监控装置供电，多方向压电振动能量收集装置包括基座、振动杆和至少三个L型压电发电晶片，振动杆与基座垂直并分离，L型压电发电晶片的一端固定连接振动杆，另一端固定连接基座，L型压电发电晶片均匀分布在振动杆的四周。本发明的基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置利用多方向压电振动能量收集装置收集各个方向的振动能量并将其转化为电能，利用多方向压电振动能量收集装置收集转化的电能为监测传感器提供持续的电源，成本较之于更换电池的人力成本或排设电线的建设成本较为低廉。

Description

基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置

技术领域

本发明涉及隧道工程健康监测领域，具体涉及一种基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置。 

背景技术

隧道工程投入使用后,随着使用年限的增加，结构老化问题日益凸显，隧道病害不断发育。受运营环境、地质条件、地下水、施工质量和材料性能等多方面因素影响，隧道病害分布具有离散性和时效性。鉴于隧道病害的上述特点，对隧道健康监测传感器的灵活布置、按需增减、及持续运行的能力提出了更高要求。 

现有的结构监测用无线传感器普遍采用外接电路供电与电池供电两种方式。而在现阶段各类型公路隧道中供电系统并未专门为安置于隧道的检测仪器提供单独电路，且对于低压供电系统的每一单项分支回路的插座设置一般不宜多于十个，加之于铺设电路的巨大投入，外接电路供电难以实施。对于采用电池为隧道内的无线监测仪器供电的方式，存在着供电时间短，更换电池繁琐，不环保等问题，尤其对于某些需要24小时不间断运行的仪器来说，电池有限的使用时间无法满足其测量需求且维护成本巨大。隧道由于其特殊的环境，太阳能发电，风力发电等传统清洁能源无法在其中得到有效使用。 

由于隧道内行车的随机性，隧道洞壁振动具有不确定的振动方向、振动频率和振动幅度。对于将上述振动能转化为电能的需求，利用压电材料发电的方式是最佳选择。在各式压电发电装置中，振动杆梁式压电发电装置被广泛应用于振动能量的收集。但多数振动杆梁压电发电装置振子只在单一方向上振动，且自振频率不可调。而已有的振动杆梁压电发电装置自振频率调节方式无论是改变振子质量、变更振动杆长度或是外加磁场，都必须依靠人工调节，并且在设备发电过程中无法调节。与此同时，已有的多方位振动振子更无法实现自振频率调节的功能。上述压电发电装置在隧道的特殊环境中无法充分发挥作用，无法为无线传感器提供充足持续的电能。 

因此，需要一种新的基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置以解决上述问题。 

发明内容

发明目的：为解决上述现有技术中无线传感器无法充足持续供电的缺陷，提供一种可以吸收各个方向振动的基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置。 

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置采用如下技术方案： 

一种基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置，包括无线监控装置和多向压电振动能量收集装置，所述多方向压电振动能量收集装置为所述无线监控装置供电，所述多方向压电振动能量收集装置包括基座、振动杆和至少三个L型压电发电晶片，所述振动杆与所述基座垂直并分离，所述L型压电发电晶片的一端固定连接所述振动杆，另一端固定连接所述基座，所述L型压电发电晶片均匀分布在所述振动杆的四周。

更进一步的，所述无线监控装置为监测传感器和/或隧道壁振动频率监测装置。 

更进一步的，还包括蓄电池，所述多向压电振动能量收集装置为所述蓄电池充电，所述蓄电池为所述监测传感器供电。所述多向压电振动能量收集装置采集的振动能转化为电能存储于蓄电池中，用于监测传感器的持续供电。 

更进一步的，所述多向压电振动能量收集装置还包括磁场变化器和磁性质量块，所述振动杆远离所述基座的一端设置有磁性质量块，所述磁场变化器设置在所述磁性质量块侧面。通过在磁性质量块的侧面设置磁场变化器，通过控制磁场变化器的磁场变化控制磁性质量块的外加磁场。通过在振动杆远离所述基座的一端设置永磁体，利用永磁铁之间力的作用来控制振动杆与隧道壁振动的共振效应，从而最大限度的吸收洞壁振动能。 

更进一步的，所述L型压电发电晶片的数量为3个。利用最少三个L型压电发电晶片就可以实现各个方向的振动能量采集。 

更进一步的，所述振动杆的横截面形状为正三角形。当L型压电发电晶片的数量为3个时，方便L型压电发电晶片均匀布置在振动杆的四周。 

更进一步的，还包括第一支架和第二支架，所述第一支架和第二支架均为正三角形，所述L型压电发电晶片的一边与所述基座平行，所述L型压电发电晶片的另一边与所述基座垂直，垂直于所述基座的所述L型压电发电晶片的边固定在所述第一支架的角上，平行于所述基座的所述L型压电发电晶片的边固定在所述第二支架的角上。第一支架和第二支架方便对L型压电发电晶片进行固定。 

更进一步的，还包括支杆，所述支杆的一端固定在所述基座上，所述磁场变化器设置在所述支杆上，所述磁场变化器包括多个爪臂，所述爪臂远离所述支杆的一端设置有永磁铁，所述永磁铁均匀分布在所述磁性质量块的四周，所述永磁铁的上方设置有所述线圈。将振动杆的振动情况转化为电信号。 

更进一步的，所述爪臂的数量为3个。利用最少三个爪臂就可以将振动杆的振动情况转化为电信号。 

更进一步的，所述支杆上设置有升降装置，所述磁场变化器设置在所述升降装置上，所述爪臂上设置有伸缩装置，还包括旋转装置，所述基座设置在所述旋转装置上。磁场变化器由微电机驱动通过控制爪臂张缩、基座的水平面旋转以及垂直方向上的升降三种方式完成对外加磁场的调节。 

发明原理：多向压电振动能量收集装置利用不定向振动带动振动杆振动，振动杆带动L型压电发电晶片振动，L型压电发电晶片将振动能量转化为电能，通过在振动杆的周围均匀设置多个L型压电发电晶片，使得振动杆各个方向的振动都能被采集到并被转化为电能，利用多向压电振动能量收集装置为监测传感器供电。 

有益效果：本发明的基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置利用多方向压电振动能量收集装置收集各个方向的振动能量并将其转化为电能，利用多方向压电振动能量收集装置收集转化的电能为监测传感器提供持续的电源，成本较之于更换电池的人力成本或排设电线的建设成本较为低廉。 

附图说明

图1为本发明基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置的结构示意图； 

图2为本发明基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置中压电振动发电装置的主视图；

图3为本发明基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置中压电振动发电装置的立体图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。 

请参阅图1、图2和图3所示，本发明的基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置，包括无线监控装置和多向压电振动能量收集装置4。多方向压电振动能量收集装置4为无线监控装置供电。无线监控装置为监测传感器2和/或隧道壁振动频率监测装置5。还包括蓄电池3，多向压电振动能量收集装置4为蓄电池3充电，蓄电池3为无线监控装置供电。多向压电振动能量收集装置4通过收集隧道壁振动的能量转化为电能，蓄电池3保存其产生的电能并用于对无线监控装置进行供电。无线监控装置部分可拆除更换，各类隧道健康监测需要的无线监测仪器都能接入该无线传感器系统。 

其中，本发明的监测传感器2包括检测单元、处理器单元、存储器单元、数据发送接收的传输单元。检测单元用来检测对象各种变化并将输出传输至微处理单元；微处理单元来实现对传感器信号采集、预处理，同时可与无线模块1进行数据交换，实现数据传输；无线模块1用于将传感器数据以无线通信方式传输。 

多方向压电振动能量收集装置4包括基座41、振动杆45和至少三个L型压电发电晶片42。振动杆45与基座41垂直并分离，L型压电发电晶片的一端固定连接振动杆45，另一端固定连接基座41，L型压电发电晶片42均匀分布在振动杆45的四周。还包括磁场变化器49和磁性质量块46，振动杆45远离基座41的一端设置有磁性质量块46，磁场变化器49设置在磁性质量块侧面。通过在磁性质量块的侧面设置磁场变化器49，通过控制磁场变化器49的磁场变化控制磁性质量块46的外加磁场。优选的，L型压电发电晶片42的数量为3个。利用最少三个L型压电发电晶片就可以实现各个方向的振动能量采集。振动杆45的横截面形状为正三角形。当L型压电发电晶片的数量为3个时，方便L型压电发电晶片均匀布置在振动杆的四周。三个L型压电发电晶片42以各成120°连接基座41，振动杆45底端与基座41分离并保持足够距离，通过合理选择L型压电发电晶片中弹性体的材料、振动杆的长度以及磁性质量块的质量，控制压电振动发电装置自振频率在100HZ左右并且保证振子的全方位振动不受影响。 

还包括第一支架43和第二支架44，第一支架43和第二支架44均为正三角形，L型压电发电晶片42的一边与基座41平行，L型压电发电晶片42的另一边与基座41垂直，垂直于基座41的L型压电发电晶片42的边固定在第一支架43的角上，平行于基座41的L型压电发电晶片42的边固定在第二支架44的角上。第一支架43和第二支架44方便对L型压电发电晶片进行固定。 

还包括支杆，支杆的一端固定在基座41上，磁场变化器49设置在支杆上，磁场变化器49包括多个爪臂48，爪臂48远离支杆的一端设置有永磁铁47，永磁铁47均匀分布在磁性质量块的四周，永磁铁的上方设置有线圈。将振动杆的振动情况转化为电信号。优选的，爪臂48的数量为3个。利用最少三个爪臂48就可以将振动杆的振动情况转化为电信号。其中，爪臂48使用低质量高强度的碳化纤维，固定于爪臂48一端的永磁铁选用高磁性低质量的永磁铁。其中，还包括发电监控电路，发电监控电路通过由安置于爪臂一端的永磁铁和永磁铁上方的线圈将压电晶片振动情况转化为电信号传至处理器。处理器对电信号进行解读分析后向控制爪型磁场变化器的微电机传输指令变化外加磁场。 

支杆上设置有升降装置，磁场变化器49设置在升降装置上。通过升降装置控制磁场变化器49的升降，控制磁性质量块的外加磁场。爪臂48上设置有伸缩装置。通过爪臂48的伸缩控制磁性质量块的外加磁场。还包括旋转装置，基座41设置在旋转装置上。通过基座的旋转控制磁性质量块的外加磁场。 

振动发电装置部分通过多方向向的L形压电材料基座连接振子，同时通过对压电发电过程进行数据监控，控制可全方位旋转伸缩放缩的爪形磁场变化器改变外加磁场。实现了在全方位振动压电发电设备运行中的振频自调，显著提高了发电效率，为隧道内的无线监测仪器提供了充足环保永续的电能供应。 

整个系统的外壳以及传感器外壳尽量避免使用金属材料，以免影响磁场变化器的运行。驱动磁场变化器的电机在系统发电平稳时进入休眠状态，在振动发生变化时再由发电监控电路唤醒。选用合适的微功稳压器（DC-DC芯片）将发电装置输出的高电压、低电流、低电能转化为检测仪器需要的电压形式。整个系统与传感器以及蓄电装置连接后布置于测量点处管壁上，保持悬臂垂直于管面，连接处为刚性连接。 

发明原理：利用不定向振动带动振动杆振动，振动杆带动L型压电发电晶片振动，L型压电发电晶片将振动能量转化为电能，通过在振动杆的周围均匀设置多个L型压电发电晶片，使得振动杆各个方向的振动都能被采集到并被转化为电能，然后利用多方向压电振动能量收集装置收集转化的电能为监测传感器供电。 

本发明的基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置利用多方向压电振动能量收集装置收集各个方向的振动能量并将其转化为电能，利用多方向压电振动能量收集装置收集转化的电能为监测传感器提供持续的电源，成本较之于更换电池的人力成本或排设电线的建设成本较为低廉。 

Claims (10)

1.一种基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置，其特征在于：包括无线监控装置和多向压电振动能量收集装置（4），所述多方向压电振动能量收集装置（4）为所述无线监控装置供电，所述多方向压电振动能量收集装置（4）包括基座（41）、振动杆（45）和至少三个L型压电发电晶片（42），所述振动杆（45）与所述基座（41）垂直并分离，所述L型压电发电晶片的一端固定连接所述振动杆（45），另一端固定连接所述基座（41），所述L型压电发电晶片（42）均匀分布在所述振动杆（45）的四周。

2.如权利要求1所述的基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置，其特征在于：所述无线监控装置为监测传感器（2）和/或隧道壁振动频率监测装置（5）。

3.如权利要求1所述的基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置，其特征在于：还包括蓄电池（3），所述蓄电池（3）连接所述多向压电振动能量收集装置（4）和无线监控装置。

4.如权利要求1所述的基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置，其特征在于：所述多向压电振动能量收集装置（4）还包括磁场变化器（49）和磁性质量块（46），所述振动杆（45）远离所述基座（41）的一端设置有磁性质量块（46），所述磁场变化器（49）设置在所述磁性质量块（46）侧面。

5.如权利要求1所述的基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置，其特征在于：所述振动杆（45）的横截面形状为正三角形。

6.如权利要求1所述的基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置，其特征在于：所述L型压电发电晶片（42）的数量为3个。

7.如权利要求4所述的基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置，其特征在于：还包括第一支架（43）和第二支架（44），所述第一支架（43）和第二支架（44）均为正三角形，所述L型压电发电晶片（42）的一边与所述基座（41）平行，所述L型压电发电晶片（42）的另一边与所述基座（41）垂直，垂直于所述基座（41）的所述L型压电发电晶片（42）的边固定在所述第一支架（43）的角上，平行于所述基座（41）的所述L型压电发电晶片（42）的边固定在所述第二支架（44）的角上。

8.如权利要求1所述的基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置，其特征在于：还包括支杆，所述支杆的一端固定在所述基座（41）上，所述磁场变化器（49）设置在所述支杆上，所述磁场变化器（49）包括多个爪臂（48）和线圈，所述爪臂（48）远离所述支杆的一端设置有永磁铁，所述永磁铁均匀分布在所述磁性质量块的四周，所述永磁铁的上方设置有所述线圈。

9.如权利要求8所述的基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置，其特征在于：所述爪臂（48）的数量为3个。

10. 如权利要求8所述的基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置，其特征在于：所述支杆上设置有升降装置，所述磁场变化器（49）设置在所述升降装置上，所述爪臂（48）上设置有伸缩装置，还包括旋转装置，所述基座（41）设置在所述旋转装置上。

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