CN106026771B - 一种自调频压电水流俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自调频压电水流俘能器，属河流监测领域。限位架上设有底板和限位板；底板安装在管道内壁上，限位板上与底板相连接的平面段上固定有簧片；簧片与管道中心线垂直，簧片自由端安装有左右半壳；左右半壳底壁的端面之间压接有金属基板，金属基板与压电晶片粘接成压电振子，压电振子自由端安装有质量块，压电振子经导线与电路板相连；左半壳前后壁上设有左凸台，右半壳前后壁上设有右凸台；两个左凸台间的距离与两个右凸台间的距离相等且大于压电晶片宽度、小于金属基板宽度；左右凸台上都设有圆弧形限位面，限位面与其所在的左半壳底壁或右半壳底壁的端面相切。优势特色：流速适应能力强、有效频带宽、可靠性高、发电能力强。
Description
技术领域
本发明属于河流监测技术领域，具体涉及一种自调频压电水流俘能器，用于构造自供电河流监测系统。
背景技术
我国境内遍布的河流达数千条之多。近年来，由于工业废污水处理力度不够、水土流失及农药和化肥等使用不当等原因，大部分河流都存在一定程度的污染问题，近1/4的河流或河段因污染而不能满足基本的灌溉需求。此外，由于目前很多地区中小河流防洪设施不完善、甚至没有任何防洪设施，汛期来临之际可能导致溃堤或漫堤等危险，直接威胁了沿岸群众的生命和财产安全。因此，河流监测已受到国家相关部门的高度重视，十二五期间水利部就曾计划实现对《中小河流治理和中小水库除险加固专项规划》确定的五千余条河流的监测全覆盖；同时，国内专家学者也相继提出了相应的监测方法和手段，包括针对河水污染的水质监测技术，针对防洪及泥石流等自然灾害的雨量、水位以及河道水流速等监测技术等多方面。虽然所提出的某些监测方法在技术层面以较成熟，但目前尚未得到大面的积推广应用，其主要原因之一是监测系统供电问题未得到很好的解决。
发明内容
针对现有河流监测系统供电方面所存在的问题，本发明提出一种自调频压电水流俘能器。本发明采用的实施方案是：限位架上设有底板和限位板，限位板由平面段和曲面段两部分构成；底板经螺钉安装在管道内壁上，限位板上与底板相连接的平面段上经螺钉和压板固定有簧片；簧片的平面与管道的中心线垂直，簧片自由端经螺钉安装有左半壳，左半壳经螺钉与右半壳相连并构成密闭的空腔；左半壳底壁与右半壳底壁的端面之间压接有金属基板，金属基板与其两侧所粘接的压电晶片构成悬臂梁型压电振子，压电振子自由端经螺钉安装有质量块，压电振子经导线与安装在右半壳右壁上的电路板相连；左半壳的前壁和后壁上都设有左凸台，右半壳的前壁和后壁上都设有右凸台；左半壳上的两个左凸台间的距离与右半壳上两个右凸台间的距离相等且大于压电晶片宽度、小于金属基板宽度；左凸台和右凸台上都设有限制压电振子变形量的圆弧形限位面，限位面与其所在的左半壳底壁或右半壳底壁的端面相切。
本发明中，簧片-左右半壳构成振动系统I、压电振子-质量块构成振动系统II，故俘能器总体上属于2自由度振动系统，当外界激励频率与振动系统I或II的固有频率接近时俘能器的发电量都将出现峰值，有效频带宽。
非工作状态下，簧片、左半壳、右半壳及压电振子都处于静止状态，且簧片与管道的中心线相垂直。
管道内有流体流过时，簧片产生弯曲变形且根部贴靠在限位板的曲面段上，从而使簧片的有效悬臂长度减小、弯曲刚度增加、振动系统I的固有频率增加；流体速度达到足够大时限位板的曲面段将全都与簧片接触，此时簧片的有效悬臂长度最短、弯曲刚度最大、振动系统I的固有频率最大。
流体流过簧片时还会在簧片后面产生卡门漩街，漩涡的交替生成与脱落会使簧片前后两侧流体压力交替变化并使振动系统I产生自激振动，从而带动振动系统II往复振动，并经压电振子将机械能转换成电能；因自激振动频率即漩涡的脱落频率随流体流速的增加而增加，当自激频率与振动系统I的固有频率相同或相近时，左右半壳振幅最大，压电振子受激强度及发电量都出现峰值。显然，对于本发明的俘能器，流体流速增加使自激频率增加时，振动系统I的固有频率也随之增加，具有自调频功能，有效地拓展了系统的频带宽度，流速适应能力强。
当自激频率与振动系统II的固有频率相同或相近时，压电振子的振幅及发电量也都会出现峰值；且当压电振子变形量达到一定程度时，金属基板将贴靠在限位面上，从而限制了压电振子变形量的进一步增加、且使压电晶片的应力分布均匀，发电量及可靠性都大幅度提升。本发明中，为提高压电振子发电能力和可靠性，压电晶片为0.2mm的PZT4、金属基板为铍青铜，金属基板与压电晶片厚度之比为1～2.5；限位面最小曲率半径为其中α＝hm/hp为厚度比，hm和hp分别为金属基板和压电晶片的厚度。
优势与特色：①俘能器为两自由度系统且振动系统I的固有频率可自动调节，故有效频带宽、流速适应能力强；②压电晶片变形量可控、应力分布均匀，故发电能力强、可靠性高。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中非工作状态下俘能器的结构示意图；
图2是图1的右视图；
图3是图1的I部放大图；
图4是图3的A-A剖视图；
图5是本发明一个较佳实施例中右半壳的结构示意图；
图6是图5的左视图；
图7是本发明一个较佳实施例中限位架的结构示意图；
图8是本发明一个较佳实施例中流速较大时俘能器的结构示意图。
具体实施方式
限位架d上设有底板d1和限位板d2，限位板d2由平面段d3和曲面段d4两部分构成；底板d1经螺钉安装在管道a内壁上，限位板d2上与底板d1相连接的平面段d3上经螺钉和压板c固定有簧片b；簧片b的平面与管道a的中心线垂直，簧片b的自由端经螺钉安装有左半壳e，左半壳e经螺钉与右半壳g相连并构成密闭的空腔C；左半壳e底壁e1与右半壳g的底壁g1的端面之间压接有金属基板h1，金属基板h1与其两侧所粘接的压电晶片h2构成悬臂梁型压电振子h，压电振子h的自由端经螺钉安装有质量块f，压电振子h经导线与安装在右半壳g的右壁上的电路板i相连；左半壳e的前壁e2和后壁e3上都设有左凸台T1，右半壳g的前壁g2和后壁g3上都设有右凸台T2；左半壳e上的两个左凸台T1间的距离L与右半壳g上两个右凸台T2间的距离L’相等且大于压电晶片h2的宽度L2、小于金属基板h1的宽度L1；左凸台T1和右凸台T2上都设有限制压电振子h变形量的圆弧形限位面M，限位面M与其所在的左半壳e的底壁e1或右半壳g的底壁g1的端面相切。
本发明中，簧片b-左半壳e-右半壳g构成振动系统I、压电振子h-质量块f构成振动系统II，故俘能器总体上属于2自由度振动系统，当外界激励频率与振动系统I或振动系统II的固有频率接近时俘能器的发电量都将出现峰值，故有效频带大幅度增加。
非工作状态下，簧片b、左半壳e、右半壳g及压电振子h都处于静止状态，且簧片b与管道a的中心线相垂直。
管道a内有流体流过时，簧片b产生弯曲变形且根部贴靠在限位板d的曲面段d4上，从而使簧片b的有效悬臂长度减小、弯曲刚度增加、振动系统I的固有频率增加；流体速度达到足够大时限位板d的曲面段d4将全都与簧片b接触，此时簧片b的有效悬臂长度最短、弯曲刚度最大、振动系统I的固有频率最大。
流体流过簧片b时还会在簧片b后面产生卡门漩街，漩涡的交替生成与脱落会使簧片b前后两侧的流体压力交替变化并使振动系统I产生自激振动，从而带动振动系统II往复振动，并经压电振子h将机械能转换成电能；因自激振动频率即漩涡的脱落频率随流体流速的增加而增加，当自激频率与振动系统I的固有频率相同或相近时，左半壳e及右半壳g的振幅最大，压电振子h受激强度及发电量都出现峰值。显然，对于本发明的俘能器，流体流速增加使自激频率增加时，振动系统I的固有频率也随之增加，具有自调频功能，有效地拓展了系统的频带宽度，流速适应能力强。
当自激频率与振动系统II的固有频率相同或相近时，压电振子h的振幅及发电量也都会出现峰值；且当压电振子h变形量达到一定程度时，金属基板h1将贴靠在限位面M上，从而限制了压电振子h变形量的进一步增加、且使压电晶片h2的应力分布均匀，发电量及可靠性都大幅度提升。本发明中，为提高压电振子h的发电能力和可靠性，压电晶片为0.2mm的PZT4、金属基板为铍青铜，金属基板h1与压电晶片h2的厚度之比为1～2.5；限位面M的最小曲率半径为其中α＝hm/hp为厚度比，hm和hp分别为金属基板h1和压电晶片h2的厚度。
Claims (1)
1.一种自调频压电水流俘能器，其特征在于：限位架上设有底板和限位板，限位板由平面段和曲面段两部分构成；底板安装在管道内壁上，限位板上与底板相连接的平面段上固定有簧片；簧片与管道中心线垂直，簧片自由端安装有左半壳，左半壳与右半壳相连并构成密闭的空腔；左右半壳底壁的端面之间压接有金属基板，金属基板与其两侧所粘接的压电晶片构成悬臂梁型压电振子，压电振子自由端安装有质量块，压电振子经导线与安装在右半壳右壁上的电路板相连；左半壳的前后壁上都设有左凸台，右半壳的前后壁上都设有右凸台；两个左凸台间的距离与两个右凸台间的距离相等且大于压电晶片宽度、小于金属基板宽度；左右凸台上都设有限制压电振子变形量的圆弧形限位面，限位面与其所在的左半壳底壁或右半壳底壁的端面相切；非工作时簧片与管道的中心线相垂直，管道内有流体流过时簧片产生弯曲变形且根部贴靠在限位板的曲面段上、簧片有效悬臂长度减小、弯曲刚度增加，压电振子变形量达到一定程度时金属基板贴靠在限位面上；压电晶片为0.2mm的PZT4、金属基板为铍青铜，金属基板与压电晶片厚度之比为1～2.5；限位面最小曲率半径为其中α＝hm/hp为厚度比，hm和hp分别为金属基板和压电晶片的厚度。
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