CN106787944A - 一种压电传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电传感器，用于压力自供电式水电站地下厂房结构变形监测，包括压电能量采集模块、应力波压电感应采集模块、无线信号发射模块和集成电路模块，在水电站地下厂房建造过程中以智能骨料的形式埋入混凝土构筑物。所述的压电能量采集模块是主材为PZT压电智能材料的压电悬臂梁结构，由于环境激励而产生受迫振动，进而基于压电效应生产电能；应力波压电感应采集模块的主材为PZT压电智能材料，直接将应力波形式的混凝土结构振动特性采集转化为电信号，该电信号经解析后可反映结构的变形、应力和裂缝状态；集成电路模块和无线信号发射模块分别为上述主要工作模块提供电能调制传递和监测电信号输出功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线传感器，尤其是一种用于压力自供电式水电站地下厂房结构变形监测的无线传感器。
背景技术
水电站地下厂房，是指水电站中安装水轮机及各种辅助设备的建筑物。它是水工建筑物、机械和电气设备的综合体，又是运行人员进行生产活动的场所。随着水电工程建设的高速发展，现代水轮发电机组的容量和尺寸日趋增大，大型水轮机的水力共振问题越来越凸出，不仅影响机组自身稳定，也引发厂房建筑物的强烈振动。这种共振往往超出厂房结构的正常使用极限状态，使结构产生变形，威胁水电站的经济运行乃至安全运行。所以，水电站厂房结构变形监测是十分必要的。
目前无线传感器网络节点广泛采用电池进行供电，但传感器节点一般埋于墙体内，不易更换电池，一旦为节点提供电能的电池耗尽，节点的使用寿命就宣告结束。而且大量使用的传感器节点上的电池无法再回收，这样废弃电池将对这片环境造成巨大的污染。若布置线路通过电网供传感器用电，造价较高，线路复杂，维修困难。因此，亟需开发一种自供电的无线传感器。
压电材料的压电效应包括正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指压电片不需外加电场作用，只在振动作用下发生变形，就会在它的某些相对应的面上产生异号电荷，这种性质为自发电技术提供了基础，而且，水电站地下厂房为压电材料提供了源源不断的振动能，通过压电材料将其转化为电能可持续为传感器节点供电。逆压电效应则是指当在压电片上施加一电场时，不仅产生极化，同时还能形变，此种变形可应用于无线传感技术，发射应力波。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的问题，结合水电站地下厂房的环境振动特性和压电材料的压电效应，本发明提供一种压电传感器，用于压力自供电式水电站地下厂房结构变形监测。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种压力自供电式水电站地下厂房结构变形监测的无线传感器，其特征是，包括压电能量采集模块、应力波压电感应模块、无线信号发射模块和集成电路模块；其外形为中间是圆柱形腔体，两端分别用不同方式盖以半球壳。
进一步的，所述的压电能量采集模块和应力波压电感应采集模块均采用主材为PZT压电智能材料（锆钛酸铅）的压电悬臂梁结构，分层均布在传感器圆柱形腔体内部一周，每层设置五个压电能量采集片和一个应力波压电感应片；所述压电能量采集片采用金属—压电薄膜—金属层叠的扇形结构，通过金属电极层将压电薄膜产生的电能传输到所述集成电路模块，经调制可为所述无线信号发射模块恒定供电；所述的应力波压电感应片采用上底和下底为圆弧的梯形金属—压电薄膜—金属层叠结构，直接将应力波形式的混凝土结构振动特性采集转化为电信号，该电信号通过金属电极传输到无线信号发射模块，由无线信号发射模块输出，经解析后可反映结构的变形、应力和裂缝状态。
进一步的，所述圆柱形腔体内部中轴线处设置一撞振机构。所述撞振机构为侧表面带有凸出条状齿和凸出半球体的细长圆柱，细长圆柱的两端通过弹簧固定在传感器两端的半球壳上。
进一步的，所述的两个半球壳，半球壳A顶部装有无线信号发射模块，边缘紧紧固定在圆柱形腔体的一端；半球壳B通过滑轮与圆柱形腔体的另一端外表面上的滑道连接，使半球壳B与圆柱形腔体可由于环境激励而产生小范围的相对运动。
进一步的，在水电站地下厂房的建造过程中，此种无线传感器以智能骨料的形式与混凝土充分混合。
有益效果：本发明提供的一种压电传感器，利用PZT压电智能材料的压电效应，进行结构振动信息采集，可通过一定数量传感器的协同监测，掌握水电站地下厂房结构的变形和裂缝信息；进行压电能量采集和自供电，可避免传感电缆在振动环境下断路引起的传感器失效现象，提升传感器的可靠性耐久性，同时降低传感器埋设成本，且绿色环保。
附图说明
图1是本发明的内部纵剖图；
图2是本发明的外形整体示意图；
图3是本发明的内部横剖图；
图4是本发明的第二半球体结构示意图；
图5是本发明的滑轮与滑道组成结构示意图；
图6是本发明的工作流程示意图；
图中：压电能量采集模块1、应力波压电感应模块2、无线信号发射模块3、集成电路模块4；撞振机构5、条状齿51、凸出半球体52，半球壳B6，滑轮61，圆柱形腔体7，滑道71，半球壳A8。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1和图2所示，一种压力自供电式水电站地下厂房结构变形监测的无线传感器，其外形为中间是圆柱形腔体7，两端分别用不同方式盖以半球壳（半球壳B6、半球壳A8）；包括压电能量采集模块1、应力波压电感应模块2、无线信号发射模块3和集成电路模块4；所述集成电路模块4布置在圆柱形腔体内壁上，所述无线信号发射模块3设置在半球壳A8上。
如图1、图3所示，所述的压电能量采集模块1和应力波压电感应模块2均采用主材为PZT压电智能材料（锆钛酸铅）的压电悬臂梁结构，所述压电能量采集模块1包括多个压电能量采集片，应力波压电感应模块2包括多个应力波压电感应片；压电能量采集片和应力波压电感应片沿圆柱形腔体轴线方向分层均布在圆柱形腔体内部一周，本实施例中，每层设置五个压电能量采集片和一个应力波压电感应片；所述压电能量采集片采用金属—压电薄膜—金属层叠的扇形结构，通过金属电极层将压电薄膜产生的电能传输到所述集成电路模块4，经调制可为所述无线信号发射模块3恒定供电；所述的应力波压电感应片采用上底和下底为圆弧的梯形金属—压电薄膜—金属层叠结构，直接将应力波形式的混凝土结构振动特性采集转化为电信号，该电信号通过金属电极传输到无线信号发射模块3，由无线信号发射模块3输出，经解析后可反映结构的变形、应力和裂缝状态。
如图1、图3所示，所述圆柱形腔体内部中轴线处设置一组撞振机构5。所述撞振机构为侧表面带有条状齿51和凸出半球体52的细长圆柱，撞振机构细长圆柱的两端分别通过弹簧连接在传感器两端的半球壳上。
如图2所示，两个半球壳中，半球壳A8顶部装有无线信号发射模块3，边缘紧紧固定在圆柱形腔体7的一端。
如图4、图5所示，圆柱形腔体7的另一端外表面上设置有滑道71，半球壳B6通过滑轮61与圆柱形腔体7上的滑道71连接，使半球壳B与圆柱形腔体可由于环境激励而产生小范围的相对运动。
如图2所示，当本发明由于环境激励而随墙体产生受迫振动时，半球壳B6与圆柱形腔体7可发生小范围的相对运动，进一步的，半球壳B6通过固定在其上的弹簧带动撞振机构5与压电能量采集片及应力波压电感应片产生相对运动。在相对运动的过程中，撞振机构上的凸出半球体52和条状齿51，分别撞击挤压压电能量采集片及应力波压电感应片，使两者由于形变在其相对的两个表面上产生极化电荷，通过压电片两面的金属电极收集传输电荷，进而产生电能。
如图6所示，在水电站地下厂房的建造过程中，此种无线传感器以智能骨料的形式与混凝土充分混合，建成后，可实时监测水电站地下厂房的结构变形。大量的本发明布置在墙体中，通过应力波的发射和感知形成网络，各节点协作感知、采集水电站厂房结构的裂缝信息，再利用无线传感技术将此裂缝信息传递给处理系统即人机界面，进而对水电站厂房的振动情况进行实时监测。此种压电式非供电无线传感器网络是集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合智能信息系统。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种压电传感器，其特征在于：所述压电传感器中段为圆柱形腔体7，两端分别用不同方式盖以半球壳A和半球壳B；中段的圆柱形腔体内部中轴线处设置撞振机构，所述撞振机构的两端分别通过弹簧固定在两端的半球壳上；
所述压电传感器包括压电能量采集模块、应力波压电感应模块、无线信号发射模块和集成电路模块；
所述压电能量采集模块和应力波压电感应采集模块均采用PZT压电智能材料的压电悬臂梁结构，所述压电能量采集模块包括多个压电能量采集片，应力波压电感应模块包括多个应力波压电感应片；压电能量采集片和应力波压电感应片沿圆柱形腔体轴线方向分层均布在圆柱形腔体内部一周，所述压电能量采集片通过金属电极层将压电薄膜产生的电能传输到所述集成电路模块，经调制可为所述无线信号发射模块恒定供电；所述应力波压电感应片直接将应力波形式的混凝土结构振动特性采集转化为电信号，然后该电信号通过金属电极传输到无线信号发射模块，由无线信号发射模块输出，经解析后可反映结构的变形、应力和裂缝状态。
2.根据权利要求1所述的压电传感器，其特征在于：所述压电能量采集片采用金属—压电薄膜—金属层叠的扇形结构。
3.根据权利要求1所述的压电传感器，其特征在于：所述应力波压电感应片采用上底和下底为圆弧的梯形金属—压电薄膜—金属层叠结构。
4.根据权利要求1所述的压电传感器，其特征在于：所述无线信号发射模块设置在半球壳A上。
5.根据权利要求1所述的压电传感器，其特征在于：所述圆柱形腔体中每层设置五个压电能量采集片和一个应力波压电感应片。
6.根据权利要求1所述的压电传感器，其特征在于：所述集成电路模块布置在圆柱形腔体内壁上。
7.根据权利要求1所述的压电传感器，其特征在于：所述撞振机构为侧表面带有凸出条状齿和凸出半球体的圆柱体结构，用于撞击挤压压电能量采集片及应力波压电感应片。
8.根据权利要求1所述的压电传感器，其特征在于：所述半球壳A的开口边缘直径与圆柱形腔体的直径相配合，半球壳A固定连接在圆柱形腔体的一端。
9.根据权利要求8所述的压电传感器，其特征在于：半球壳B开口边缘直径大于圆柱形腔体的直径，半球壳B通过滑轮与圆柱形腔体的另一端外表面上的滑道连接，使半球壳B与圆柱形腔体可由环境激励而产生一定范围的相对运动。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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