CN105958867B - 一种自激式管道流体压电俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自激式管道流体压电俘能器，属压电发电领域。管道内壁经辐板装有扰流器和壳体，壳体筒壁两端装有带凸台的端盖，销轴一端设有连接块、另一端经左端盖从壳体中伸出且装有激励器，销轴上套有平衡弹簧和限位弹簧，平衡弹簧顶靠在激励器和左端盖上，限位弹簧顶靠在左端盖和连接块上，电路板装在连接块上；压电振子由金属基板及压电片粘接而成，基板两端及中间分别固定在左右凸台和连接块上；平直的压电振子装配后变为弯曲结构且压电晶片承受压应力。特色与优势：将平直压电振子安装成弯曲结构并形成自激伸缩振动的俘能器，结构及工艺简单、成本低；压电晶片仅受范围可控的压应力，可靠性高；易通过增加压电振子数和长度提高发电量。
Description
技术领域
本发明属于压电发电领域，具体涉及一种自激式管道流体压电俘能器，用于油气管道监测系统。
背景技术
油气管道是国家能源和经济建设的命脉。因自然腐蚀、自然界不可抗力、尤其是人为偷盗等造成的油气管道泄漏事件时有发生，不仅造成了巨大的经济损失、同时也给其周边自然环境造成了严重的污染。以往，常采用定期人工巡检的方法对油气管线加以维护，但因其铺设距离长、且常处于人迹罕至或交通不便之处，定期巡检难以及时发现泄漏并及时维修，故人们提出了多种类型的管道泄漏监测或防盗系统。虽所提出的某些管道泄漏或防盗监测报警方法在技术层面已较成熟，但目前我国长输管道防盗监测系统的应用还处于起步阶段、尚未得到广泛应用，其原因之一是其供电问题未得到很好的解决：采用铺设电缆的方法成本高、且已被不法分子切断而影响监测系统的正常运行；而采用电池供电时使用时间有限、需经常更换，一旦电池电量不足且未及时更换时也无法完成监测信息的远程传输。因此，为使油气管道泄漏及防盗系统得以实际应用，必须首先解决其供电问题。近年来，为满足各类无线传感监测系统的自供电需求，人们提出了一种新型的微型压电发电装置，它具有结构简单、不发热、无电磁干扰、集成化高等特点，尤其适于无线传感监测系统供电。然而，现有的油气管道压电发电装置大都通过流体涡轮转动驱动压电振子振子发电的，结构复杂、体积大，不适于直径相对较小的管道；同时，工作中压电振子双向弯曲变形、承受交替拉-压应力，拉应力过大时压电晶片易破碎、可靠性低。
发明内容
针对输油气管线监测的供电难题以及现有压电发电装置应用上的局限性，本发明提出一种自激式管道流体压电俘能器。本发明采用的实施方案是：管道内壁经辐板一安装有圆柱形扰流器、经辐板二安装有壳体，扰流器与壳体的中心相互垂直；壳体筒壁右端经螺钉安装有右端盖、左端设有左侧板，左侧板上经螺钉安装有左端盖，左端盖上设有左凸台、右端盖上设有右凸台；销轴上设有连接块的一端置于壳体内，另一端经左端盖中心孔从壳体中伸出且端部经螺母安装有激励器，销轴上套有平衡弹簧和限位弹簧，平衡弹簧左右两端分别顶靠在激励器和左端盖上，限位弹簧左右两端分别顶靠在左端盖和连接块上，电路板经螺钉安装在连接块上；压电振子由金属基板和金属基板单侧所粘接的两片压电晶片构成，金属基板的左右两端及中间通过螺钉和压板分别固定在左右凸台和连接块上；压电振子装配前的自然状态下为平直结构，压电振子装配后变为弯曲结构、且压电晶片曲率半径小于金属基板曲率半径，压电晶片仅承受压应力；各压电振子置于连接块左右两侧的部分分别构成发电单元I和发电单元II。
俘能器组装后且无流体流动的非工作状态下，发电单元I和发电单元II的状态不同，发电单元I中压电振子弯曲变相量大、发电单元II中压电振子弯曲变形量小；激励器受过大的外力或平衡弹簧作用使限位弹簧被压死时，压电振子h处于发电单元II中的部分未被拉直、发电单元I中压电晶片所受应力小于许用压应力。
工作中有流体流过扰流器和激励器时，流体和扰流器及激励器之间都产生相互作用。流体动压力首先使激励器承受向右的推力，从而迫使平衡弹簧和发电单元II缩短、发电单元I伸长，流体速度过高且使平衡弹簧被压死时，压电振子在发电单元I中的部分未被拉直、发电单元II中压电晶片所受应力小于其许用应力；同时，流体流经扰流器和激励器时还会在其后面形成两行旋转方向相反、且周期性交替脱落的漩涡，漩涡的交替脱落会引起流体压力的交替变化，使激励器前后两侧的流体压力差交替地变化，从而使激励器产生左右方向的往复振动；激励器左右往复振动经销轴和连接块传递给压电振子，迫使发电单元I和II交替地伸长和缩短：销轴及连接块向左运动时，平衡弹簧及发电单元II伸长、限位弹簧及发电单元I缩短，发电单元I中压电晶片所受压应力增加、发电单元II中压电晶片所受压应力减小；反之，销轴及连接块向右运动时，平衡弹簧及发电单元II缩短、限位弹簧及发电单元I伸长，发电单元I中压电晶片所受压应力减小、发电单元II中压电晶片所受压应力增加；上述压电晶片所受的应力交替增加和减小的过程中即将机械能转换成电能，所生成电能经导线传输到电路板的能量转换与存储电路。
为提高压电振子发电能力及可靠性，额定流速且连接块处于动平衡位置时，发电单元I和II的形状及受力状态相同，且压电晶片所受的应力为其许用值的一半；压电晶片为0.1mm～0.2mm的PZT4、金属基板为铍青铜，金属基板与压电晶片的厚度之比为1～2.5。
优势与特色：①通过安装的方法将平直压电振子变成弯曲结构，形成沿管道长度方向的自激励伸缩振动的俘能器，结构及制作工艺简单、成本低；②压电晶片仅工作在压应力状态下、且压应力范围可控，可靠性高；③便于通过增加压电振子数量和长度的方法提高发电量。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中俘能器工作状态下的结构示意图；
图2图1的B部放大图；
图3是图1的左视图；
图4是图1的A-A剖视图；
图5是本发明一个较佳实施例中压电振子安装前的结构示意图。
具体实施方式
管道a内壁经辐板一b安装有圆柱形扰流器c、经辐板二d安装有壳体e，扰流器c与壳体e的中心相互垂直；壳体e的筒壁e2的右端经螺钉安装有右端盖g、左端设有左侧板e1，左侧板e1上经螺钉安装有左端盖f，左端盖f上设有左凸台f1、右端盖g上设有右凸台g1；销轴j1上设有连接块j2的一端置于壳体e内，另一端经左端盖f的中心孔从壳体e中伸出且端部经螺母安装有激励器n，销轴j1上套有平衡弹簧m1和限位弹簧m2，平衡弹簧m1的左右两端分别顶靠在激励器n和左端盖f上，限位弹簧m2的左右两端分别顶靠在左端盖f和连接块j2上；电路板k经螺钉安装在连接块j2上；压电振子h由金属基板h1和金属基板h1单侧所粘接的两片压电晶片h2构成，金属基板h1的左右两端及中间通过螺钉和压板i分别固定在左凸台f1、右凸台g1和连接块j2上；压电振子h装配前的自然状态下为平直结构，压电振子h装配后变为弯曲结构且压电晶片h2的曲率半径小于金属基板h1的曲率半径，压电晶片h2仅承受压应力；各压电振子h置于连接块j2左右两侧的部分分别构成发电单元I和发电单元II。
俘能器组装后且无流体流动的非工作状态下，发电单元I和发电单元II的状态不同，发电单元I中压电振子h的弯曲变相量大、发电单元II中压电振子h的弯曲变形量小；激励器n受外力或平衡弹簧j1作用使限位弹簧j2被压死时，压电振子h处于发电单元II中的部分未被拉直、发电单元I中压电晶片h2所受应力小于许用压应力。
工作中有流体流过扰流器c和激励器n时，流体和扰流器c及激励器n之间都产生相互作用。流体动压力首先使激励器n承受向右的推力，从而迫使平衡弹簧j1和发电单元II缩短、发电单元I伸长，流体速度过高且使平衡弹簧j1被压死时，压电振子h在发电单元I中的部分未被拉直、发电单元II中压电晶片h2所受应力小于其许用应力；同时，流体流经扰流器c和激励器n时还会在其后面形成两行旋转方向相反、且周期性交替脱落的漩涡，漩涡的交替脱落会引起流体压力的交替变化，使激励器n前后两侧的流体压力差交替地变化，从而使激励器n产生左右方向的往复振动；激励器n的左右往复振动经销轴j1和连接块j2传递给压电振子h，迫使发电单元I和II交替地伸长和缩短：销轴j1及连接块j2向左运动时，平衡弹簧m1及发电单元II伸长、限位弹簧m2及发电单元I缩短，发电单元I中压电晶片h2所受压应力增加、发电单元II中压电晶片h2所受压应力减小；反之，销轴j1及连接块j2向右运动时，平衡弹簧m1及发电单元II缩短、限位弹簧m2及发电单元I伸长，发电单元I中压电晶片h2所受压应力减小、发电单元II中压电晶片h2所受压应力增加；上述压电晶片h2所受的应力交替增加和减小的过程中即将机械能转换成电能，所生成电能经导线传输到电路板k的能量转换与存储电路。
为提高压电振子h的发电能力及可靠性，额定流速且连接块j2处于动平衡位置时，发电单元I和II的形状及受力状态相同，且压电晶片h2所受的应力为其许用值的一半；压电晶片h2为0.1mm～0.2mm的PZT4、金属基板h1为铍青铜，金属基板h1与压电晶片h2的厚度之比为1～2.5。
Claims (1)
1.一种自激式管道流体压电俘能器，其特征在于：管道内壁经辐板一安装有圆柱形扰流器、经辐板二安装有壳体，扰流器与壳体的中心相互垂直；壳体筒壁的右端装有右端盖、左端设有左侧板，左侧板上装有左端盖，左端盖上设有左凸台、右端盖上设有右凸台；销轴上设有连接块的一端置于壳体内，另一端经左端盖中心孔从壳体中伸出且端部装有激励器，销轴上套有平衡弹簧和限位弹簧，平衡弹簧左右两端分别顶靠在激励器和左端盖上，限位弹簧左右两端分别顶靠在左端盖和连接块上，电路板经螺钉安装在连接块上；压电振子由金属基板及其单侧所粘接的两片压电晶片构成，金属基板左右两端及中间通过螺钉和压板分别固定在左右凸台和连接块上；压电振子装配前为平直结构、装配后变为弯曲结构且压电晶片曲率半径小于金属基板曲率半径，压电晶片仅承受压应力；各压电振子置于连接块左右两侧的部分分别构成发电单元I和发电单元II；平衡弹簧或限位弹簧被压死时，压电振子h处于发电单元I和II中的部分均处于弯曲状态且压电晶片所受压应力均小于其许用压应力；额定流速且连接块处于动平衡位置时，发电单元I和II的形状及受力状态相同，且压电晶片所受的应力为其许用值的一半。
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