CN105048868B - 一种用于结构长期监测的传感器能量供给装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于结构长期监测的传感器能量供给装置，属于土木结构监测领域。本发明装置利用太阳能板、压电杆、永磁体等部件来供电装置，基于光伏供电原理、压电供电原理、电磁感应供电原理包括风力发电原理将太阳能、风能、环境振动等能量形式收集并存储，从而适合于各种外界自然环境的能量收集，保证了充足的电能储备，达到持久供电的目的，有利于建筑结构的长期监测。太阳能板不仅收集太阳能，又作为风力发电的叶片和压电杆杆端的集中质量，从而减小装置占用空间，提高能源采集利用效率。
Description
技术领域
本发明属于建筑结构监测领域，涉及到采用太阳能、风能、振动机械能对传感器进行能量供给的装置。
背景技术
土木工程建筑物在长期的运营过程中，受到风荷载、环境侵蚀、人工荷载等各种外界荷载综合作用下，会导致建筑物一定程度的损伤，这些损伤如不及时发现，积累的损伤会降低建筑物抵抗外界荷载的能力，从而会影响建筑物的安全运营。为了评价建筑物的健康状况，需对建筑物进行健康监测。
传统的健康监测方法是采用有线传感器，利用线缆将传感器的数据信息传输给数据接收基站。然而，有线传感器的线缆布设距离长，布设线缆量大，会耗费大量的物力人力。无线技术可以解决线缆布设问题，具有安装方便，组网也方便，无需布设大量线缆等特点，因此，有广阔的应用前景。
无线技术通常均采用电池来供电，然而监测建筑物时，通常布设传感器节点多，数据传输大，采用电池供电难以满足监测时的能量需求，因此，开发一种有效且高效的能量供给装置是十分必要的。
发明内容
本发明的目的是对建筑结构进行持久监测，重点是解决如何对能量持续供给的问题。
本发明所提供的技术方案是：开发出一种持久的能量供给装置，此装置可以将太阳能、风能、振动机械能相结合来转换为电能，从而达到持久供电的目的。
一种用于结构长期监测的传感器能量供给装置,该传感器能量供给装置包 括太阳能板、水平压电杆3、竖直压电杆4、风力发电机6、永磁体7、弹簧11、线圈绕组8、能量收集及功率调节电路14和蓄电池15；
四根水平压电杆的一端分别与四个太阳能板背面2连接，太阳能板正面1与水平压电杆3上表面成45度角(即太阳能板板面与水平压电杆上表面夹角)，以便更好的接收太阳光照射，产生太阳能；太阳能板正面1与水平压电杆3侧表面夹角小于90度，以便在风力作用下，太阳能板及水平压电杆能够绕其中心交点旋转；竖直压电杆与水平压电杆固定连接在一起；太阳能板在风激励或者振动下，水平压电杆会弯曲变形产生压电电能，水平压电杆会带动竖直压电杆弯曲变形，从而使竖直压电杆产生压电电能；
四根水平压电杆3与竖直压电杆4固定焊接于焊接节点球5；水平压电杆3由中间金属层17与上下两层压电层18组成，竖直压电杆4由外围压电层19与中心金属杆20组成；竖直压电杆4与风力发电机6连接；风力发电机6与永磁体7连接；永磁体7与弹簧11连接，竖直压电杆的振动会带动永磁体的振动，同时环境的振动会通过弹簧带动永磁体的振动；弹簧11与保护外壳9底部连接；永磁体7四周缠绕线圈绕组8；线圈绕组8通过上下非导磁连接件10固定于保护外壳9的上下内表面，从而使永磁体可以在线圈绕组中运动，通过电磁感应方式供电；通过能量收集及功率调节电路可将太阳能、风能、机械振动能(压电能与永磁体振动能)收集起来，并调整功率，以存储于蓄电池中，从而便于建筑长期监测的持久供电。
永磁体7的振动在线圈绕组8中产生的电能通过导线12连接能量收集及功率调节电路14中；太阳能板1产生的太阳能与水平压电杆3和竖直压电杆4产生的压电能通过电能收集导线13连接于能量收集及功率调节电路14中；同时电能收集导线13将风力发电机6产生的电能传输给能量收集及功率调节电路14 中；能量收集及功率调节电路14通过调整及控制，将收集到的电能存储于蓄电池15中，或直接传输耗电装置16；蓄电池15连接于耗电装置16用于持久供电。
本发明的效果和益处是利用了土木工程建筑物周围的环境能源，通过太阳能板、压电杆以及永磁体振动，采用光伏供电原理、压电供电原理、电磁感应供电原理(包括风力发电原理)，将太阳能、风能、环境振动等能量形式收集并存储，从而适合于各种外界自然环境的能量收集，保证了充足的电能储备，达到持久供电的目的，有利于建筑结构的长期监测。另外，太阳能板不仅收集太阳能，又作为风力发电的叶片和压电杆杆端的集中质量，从而减小装置占用空间，提高能源采集利用效率。
附图说明
图1是能量供给装置示意图。
图2是水平压电杆示意图。
图3是竖直压电杆示意图。
图中：1太阳能板正面，2太阳能板背面，3水平压电杆，4竖直压电杆，5焊接节点，6风力发电机，7永磁体，8线圈绕组，9保护外壳，10非导磁连接件，11弹簧，12电磁感应电能收集导线，13电能收集导线，14能量收集及功率调节电路，15蓄电池，16耗电装置，17水平压电杆中间金属层，18水平压电杆两侧压电层，19竖直压电杆外围压电层，20中心金属杆。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
一种用于结构长期监测的传感器能量供给装置，主要由太阳能板1、水平压电杆3、竖直压电杆4、永磁体7、弹簧11、线圈绕组8、能量收集及功率调节电路14、蓄电池15等组成；太阳能板背面2连接于水平压电杆3，太能能正面 1与水平压电杆3上表面成45度角，与水平压电杆3侧表面夹角小于90度。
四根水平压电杆3与竖直压电杆4固定焊接于焊接节点球5；水平压电杆3由中间金属层17与两层压电层18组成；竖直压电杆4由外围压电层19与中心金属杆20组成，竖直压电杆4与风力发电机6相连接；风力发电机6与永磁体7相连接；永磁体7与弹簧11连接；弹簧11与保护外壳9底部连接；永磁体7四周有线圈绕组8；线圈绕组8通过上下非导磁连接件10固定于保护外壳9的上下内表面。
永磁体7的振动在线圈绕组8中产生的电能通过导线12连接于能量收集及功率调节电路14中；太阳能板1产生的太阳能与水平压电杆3和竖直压电杆4产生的压电能通过电能收集导线13连接于能量收集及功率调节电路14中；同时导线13也将风力发电机6产生的电能传输给电路14中；电路14通过调整及控制，将收集到的电能存储于蓄电池15中，或直接传输耗电装置16；蓄电池15连接于耗电装置16用于持久供电。
Claims (1)
1.一种用于结构长期监测的传感器能量供给装置,其特征在于，该传感器能量供给装置包括太阳能板、水平压电杆、竖直压电杆、风力发电机、永磁体、弹簧、线圈绕组、能量收集及功率调节电路和蓄电池；
四根水平压电杆的一端分别与四个太阳能板背面连接，太阳能板正面与水平压电杆上表面成45度角，与水平压电杆侧表面夹角小于90度；
四根水平压电杆与竖直压电杆固定焊接于焊接节点球；水平压电杆由中间金属层与上下两层压电层组成，竖直压电杆由外围压电层与中心金属杆组成；竖直压电杆与风力发电机连接，风力发电机与永磁体连接，永磁体与弹簧连接，弹簧与保护外壳底部连接；永磁体四周缠绕线圈绕组，线圈绕组通过上下非导磁连接件固定于保护外壳的上下内表面；
永磁体的振动在线圈绕组中产生的电能通过导线连接于能量收集及功率调节电路；太阳能板产生的太阳能与水平压电杆和竖直压电杆产生的压电能通过电能收集导线连接于能量收集及功率调节电路；同时电能收集导线将风力发电机产生的电能传输给能量收集及功率调节电路中；能量收集及功率调节电路通过调整及控制，将收集到的电能存储于蓄电池中，或直接传输耗电装置；蓄电池连接于耗电装置用于持久供电。
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