CN106160573B - 一种用于河流监测的自激压电俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于河流监测的自激压电俘能器，属河流监测领域。管道内壁上设有两个连接耳，连接耳上都装有簧片，簧片的平面与管道对称中心线平行；上下半壳通过法兰相连并形成密闭的壳体；上或下半壳的法兰与两个簧片相连；上半壳前后侧壁上设有上凸台，下半壳前后侧壁上设有下凸台，两个上凸台的对称中心处设有隔板；上下凸台上都设有限位面，限位面由一个平直段和两个圆弧段构成，平直段宽度与隔板宽度相等；金属基板经压块固定在隔板上并形成两个金属悬臂梁，金属悬臂梁自由端装有线圈、侧面粘接有压电晶片，金属悬臂梁与所粘接的压电晶片构成压电振子。优势特色：结构简单、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，具体涉及一种用于河流监测的自激压电俘能器，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，本发明提出一种用于河流监测的自激压电俘能器。本发明采用的实施方案是：管道内壁上对称地设有两个连接耳，连接耳上都经螺钉和压板安装有簧片，簧片的平面与管道对称中心线平行；上下半壳的法兰通过螺钉相连，连接后的上下半壳形成密闭的壳体；上半壳的法兰或下半壳的法兰经螺钉和压板与所述的两个簧片相连；上半壳的前后侧壁上都设有上凸台，下半壳的前后侧壁上都设有下凸台，两个上凸台的对称中心处设有隔板；上凸台和下凸台上都设有限位面，限位面由一个平直段和与所述平直段相切的两个圆弧段构成，平直段宽度与隔板宽度相等；金属基板经螺钉和压块固定在隔板上并形成两个金属悬臂梁，每个金属悬臂梁的自由端都经螺钉安装有线圈、侧面都粘接有压电晶片，金属悬臂梁与所粘接的压电晶片构成压电振子；上半壳上两个上凸台的间距与下半壳上两个下凸台的间距相等且大于压电晶片的宽度、小于金属基板的宽度；上下半壳上限位面上的平直段之间的间隙等于金属基板的厚度；下半壳的底板上经螺钉安装有电路板，上下半壳的左右侧壁上都经螺钉安装有磁铁；上半壳上的磁铁置于与其相邻线圈的左上方或右上方，下半壳上的磁铁置于与其相邻线圈的左下方或右下方；各线圈及各压电振子经不同的导线组分别与电路板相连。
本发明中，簧片与壳体及压板构成振动系统I、压电振子与线圈构成振动系统II，故俘能器总体上为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，有效频带大幅度增加。
工作中，流体流过簧片及壳体时会在其后面产生旋涡，漩涡的交替生成与脱落会使簧片及壳体上下及前后两侧的流体压力交替变化，并使振动系统I产生上下方向的自激振动，从而带动振动系统II上下往复振动，再经压电振子和线圈将机械能转换成电能；因压电振子和线圈的发电能力都随压电振子振幅的增加而增加，当自激频率与振动系统I或II的固有频率相同或相近时，俘能器的发电量都将出现峰值。工作过程中，当压电振子变形量达到一定程度时，金属悬臂梁将贴靠在限位面上，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，金属基板与压电晶片的厚度之比为1～2.5；限位面的最小曲率半径为其中α＝hm/hp为厚度比，hm和hp分别为金属基板和压电晶片的厚度。
优势与特色：①利用流固耦合作用实现自激振动发电，无需涡轮等运动部件，结构简单、体积小、便于与监测系统相集成；②俘能器为两自由度系统，且有效频带宽、流速适应能力强；③压电晶片变形量可控且应力分布均匀，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俘能器结构示意图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是上下半壳相互连接后的结构示意图；
图4是图3的B-B剖视图。
具体实施方式
管道a内壁上对称地设有两个连接耳a1，两个连接耳上都经螺钉和压板b安装有簧片c，簧片c的平面与管道a的对称中心线平行；上半壳g的法兰g1与下半壳d的法兰d1通过螺钉相连，连接后的上半壳g与下半壳d形成密闭的壳体K；上半壳g的法兰g1或下半壳d的法兰d1经螺钉和压板b与所述的两个簧片c相连；上半壳g的前后侧壁上都设有上凸台g2，下半壳d的前后侧壁上都设有下凸台d2，两个上凸台g2的对称中心处设有隔板g3；上凸台g2和下凸台d2上都设有限位面M，限位面M由一个平直段Z和与所述平直段Z相切的两个圆弧段H构成，平直段Z的宽度与隔板g3的宽度相等；金属基板h1经螺钉和压块i固定在隔板g3上并形成两个金属悬臂梁h1’，每个金属悬臂梁h1’的自由端都经螺钉安装有线圈j、侧面都粘接有压电晶片h2，金属悬臂梁h1’与所粘接的压电晶片h2构成压电振子h；上半壳g上的两个上凸台g2的间距L与下半壳d上的两个下凸台d2的间距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；上半壳g与下半壳d上的限位面M上的平直段Z之间的间隙等于金属基板h1的厚度；下半壳d的底板上经螺钉安装有电路板e，上半壳g和下半壳d的左右侧壁上都经螺钉安装有磁铁f；上半壳g上的磁铁f置于与其相邻线圈j的左上方或右上方，下半壳d上的磁铁f置于与其相邻线圈j的左下方或右下方；各线圈j及各压电振子h经不同的导线组与电路板e相连。
本发明中，簧片c与壳体K及压板b构成振动系统I、压电振子h与线圈j构成振动系统II，故俘能器总体上为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。
工作中，流体流过簧片c及壳体K时会在其后面产生漩涡，漩涡的交替生成与脱落会使簧片c及壳体K上下及前后两侧的流体压力交替变化，并使振动系统I产生上下方向的自激振动，从而带动振动系统II上下往复振动，再经压电振子h和线圈j将机械能转换成电能；因压电振子h和线圈j的发电能力都随压电振子h振幅的增加而增加，当自激频率与振动系统I或II的固有频率相同或相近时，俘能器的发电量都将出现峰值。工作过程中，当压电振子h变形量达到一定程度时，金属悬臂梁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；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)
1.一种用于河流监测的自激压电俘能器，其特征在于：管道内壁左右两侧对称地设有两个连接耳，连接耳上都装有簧片，簧片的平面与管道的水平对称中心线平行；上半壳和下半壳的法兰通过螺钉相连，连接后的上半壳和下半壳形成密闭的壳体；上半壳或下半壳的法兰与两个簧片相连；上半壳的前侧壁和后侧壁上都设有上凸台，下半壳的前侧壁和后侧壁上都设有下凸台，两个上凸台的垂直对称中心处设有隔板；上凸台和下凸台上都设有限位面，限位面由一个平直段和两个圆弧段构成，平直段宽度与隔板宽度相等，两个圆弧段对称布置在平直段的左右两侧；金属基板经螺钉和压块固定在隔板上并形成两个金属悬臂梁，金属悬臂梁自由端装有线圈、侧面粘接有压电晶片，金属悬臂梁与所粘接的压电晶片构成压电振子；上凸台间距与下凸台间距相等且大于压电晶片宽度、小于金属基板宽度；上半壳和下半壳上限位面上的平直段之间的间隙等于金属基板厚度；下半壳底板上装有电路板，上半壳的左侧壁和右侧壁及下半壳的左侧壁和右侧壁上都装有磁铁；上半壳上的磁铁置于与其相邻线圈的左上方或右上方，下半壳上的磁铁置于与其相邻线圈的左下方或右下方；各线圈及压电振子经不同导线组分别与电路板相连；压电晶片为0.2mm的PZT4，金属基板为铍青铜，限位面最小曲率半径为其中α＝hm/hp＝1～2.5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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