CN107332468B - 一种用于河流监测系统的间接激励式自发电装置 - Google Patents

一种用于河流监测系统的间接激励式自发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于河流监测系统的间接激励式自发电装置，属河流监测领域。外壳内装有内壳，内壳右端设有内壳底壁、左端装有端盖，端盖上装有压电振子和施力簧片；压电振子端部装有顶块，顶块顶在施力簧片上，施力簧片端部装有受激磁铁和调频质量块；内壳底壁上嵌有定磁铁，定磁铁与受激磁铁的异性磁极相对安装；激励器摇臂上的销孔套在销轴上，销轴两端固定在内壳耳板上；摇臂一端设有扰流体、另一端装有激励磁铁，激励磁铁与受激磁铁异性磁极相对安装；平衡簧片两端分别装在内壳连接板和激励器连接板上。优势特色：俘能器为3自由度系统，频带宽；压电振子不与流体接触、压电晶片仅承受压应力且定磁铁可增幅并限位，可靠性高、发电量大。

Description

一种用于河流监测系统的间接激励式自发电装置
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系统的间接激励式自发电装置。
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》中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度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已较成熟，但尚未得到大面积的推广应用，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系统的间接激励式自发电装置。本发明采用的实施方案是：外壳的内部经筋板安装有内壳，内壳的侧壁的右端设有内壳底壁，内壳的侧壁的左端经螺钉安装有端盖，端盖的凸台上经压板安装有两个压电振子和一个施力簧片；压电振子由基板和压电晶片粘接而成，压电振子的自由端经螺钉安装有顶块，顶块位于基板一侧，顶块的非固定端为圆弧形；施力簧片夹在两个压电振子之间，顶块顶靠在施力簧片上，施力簧片的自由端经螺钉安装有受激磁铁和调频质量块；内壳底壁上镶嵌有两条定磁铁，两条定磁铁对称布置在施力簧片的上下两侧，定磁铁与受激磁铁的异性磁极相对安装；内壳底壁的右侧设有两个耳板和两个内壳连接板；激励器的摇臂上设有销孔，销孔套在销轴上，销轴的两端分别固定在两个耳板上；摇臂的一端设有扰流体、另一端经螺钉安装有激励磁铁，激励磁铁与受激磁铁的异性磁极相对安装，扰流体为中空结构；摇臂的两侧各设有一个激励器连接板，平衡簧片的一端经螺钉和压块安装在内壳连接板上、另一端经螺钉和压块安装在激励器连接板上；施力簧片和平衡簧片厚度方向上的中心层、销轴的中心线及扰流体的中心线位于同一平面上。
非工作状态下，施力簧片上下两侧的压电振子的变形和受力状态分别相同。工作状态下，即有流体从右到左流过扰流体时，扰流体会受到流体施加的上下交变的作用力，从而使激励器绕销轴往复摆动，再经激励磁铁与受激磁铁之间的相互吸引力带动施力簧片往复摆动；施力簧片再经顶块迫使压电振子产生单向弯曲变形；当施力簧片一侧的压电振子弯曲变形量及压电晶片所受的压应力逐渐增加时，另一侧压电振子的变形量及压电晶片所受的压应力逐渐减小；压电晶片所受压应力的交替增加与减小过程中即将机械能转变成电能；
激励器上下摆动过程中，同时受流体力、平衡簧片的弹性力、定磁铁的吸引力及受激磁铁的吸引力的共同作用，流体力是激励器往复摆动运动的驱动力、施力簧片及平衡簧片施加的是阻力；当激励器摆动使激励磁铁和受激磁铁离开平衡位置时，激励磁铁和受激磁铁所受上下两个定磁铁的吸引力不再相等，一侧的吸引力逐渐增加、而另一侧的吸引力逐渐减小；同时，施力簧片及平衡簧片的反作用力增加、流体力减小直至换向，从而使激励器总的受力方向及摆动方向发生变化；激励磁铁和受激磁铁与某一个定磁铁的距离最近、即吸引力最大时，压电晶片所受的压应力不大于其许用压应力；
本发明中，压电振子与顶块构成一个弹簧质量系统、施力簧片与受激磁铁及调频质量块构成一个弹簧质量系统、两个平衡簧片与激励器构成一个弹簧质量系统，故俘能器总体为三自由度系统。
本发明中，压电振子安装前为平直结构、安装后为弯曲结构且压电晶片承受压应力，非工作时压电晶片上最大的压应力为其许用压应力的50％；顶块的高度为其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm和H分别为基板厚度和压电振子总厚度，Em和Ep分别为基板和压电晶片的杨氏模量，k31和分别为压电陶瓷材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子的长度。
优势与特色：①俘能器为3自由度系统且易通过各子系统质量及刚度调节其固有频率，频带宽、流体环境适应性强；②通过激励器间接激励，压电振子不与流体直接作用、工作中压电晶片仅承受分布均匀且可控的压应力，可靠性高、发电量大；③定磁铁具有增加变形量和限位的双重功能，进一步提高了可靠性和发电能力；④利用激励器所受流体升力产生自激振动，低速时激励效果也较好，且可用过激励器销孔与扰流体间的距离实现其摇臂摆动幅值的放大或缩小。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中自发电装置的结构示意图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是图1的B-B剖视图；
图4是图1的C-C剖视图；
图5是图1的I放大图；
图6是图1的II放大图；
图7是本发明一个较佳实施例中激励器的结构示意图；
图8是图7的俯视图。
具体实施方式
外壳a的内部经筋板b安装有内壳c，内壳c的侧壁c1的右端设有内壳底壁c2，内壳c的侧壁c1的左端经螺钉安装有端盖d，端盖d的凸台d1上经压板e安装有两个压电振子g和一个施力簧片h；压电振子g由基板g1和压电晶片g2粘接而成，压电振子g的自由端经螺钉安装有顶块i，顶块i位于基板g1一侧，顶块i的非固定端为圆弧形；施力簧片h夹在两个压电振子g之间，顶块i顶靠在施力簧片h上，施力簧片h的自由端经螺钉安装有受激磁铁j和调频质量块r；内壳底壁c2上镶嵌有两条定磁铁f，两条定磁铁f对称布置在施力簧片h的上下两侧，定磁铁f与受激磁铁j的异性磁极相对安装；内壳底壁c2的右侧设有两个耳板c3和两个内壳连接板c4；激励器k的摇臂k2上设有销孔k4，销孔k4套在销轴m上，销轴m的两端分别固定在两个耳板c3上；摇臂k2的一端设有扰流体k1、另一端经螺钉安装有激励磁铁n，激励磁铁n与受激磁铁j的异性磁极相对安装，扰流体k1为中空结构；摇臂k2的两侧各设有一个激励器连接板k3，平衡簧片q的一端经螺钉和压块p安装在内壳连接板c4上、另一端经螺钉和压块p安装在激励器连接板k3上；施力簧片h和平衡簧片q厚度方向上的中心层、销轴m的中心线及扰流体k1的中心线位于同一平面上。
非工作状态下，施力簧片h上下两侧的压电振子g的变形和受力状态分别相同。工作状态下，即有流体从右到左流过扰流体k1时，扰流体k1会受到流体施加的上下交变的作用力，从而使激励器k绕销轴m往复摆动，再经激励磁铁n与受激磁铁j之间的相互吸引力带动施力簧片h往复摆动；施力簧片h再经顶块i迫使压电振子g产生单向弯曲变形；当施力簧片h一侧的压电振子g弯曲变形量及压电晶片g2所受的压应力逐渐增加时，另一侧压电振子g的变形量及压电晶片g2所受的压应力逐渐减小；压电晶片g2所受压应力的交替增加与减小过程中即将机械能转变成电能；
激励器k上下摆动过程中，同时受流体力、平衡簧片q的弹性力、定磁铁f的吸引力及受激磁铁j的吸引力的共同作用，流体力是激励器k往复摆动运动的驱动力、施力簧片h及平衡簧片q施加的是阻力；当激励器k摆动使激励磁铁n和受激磁铁j离开平衡位置时，激励磁铁n和受激磁铁j所受上下两个定磁铁f的吸引力不再相等，一侧的吸引力逐渐增加、而另一侧的吸引力逐渐减小；同时，施力簧片h及平衡簧片q的反作用力增加、流体力减小直至换向，从而使激励器k总的受力方向及摆动方向发生变化；激励磁铁n和受激磁铁j与某一个定磁铁f的距离最近、即吸引力最大时，压电晶片g2所受的压应力不大于其许用压应力；
本发明中，压电振子g与顶块i构成一个弹簧质量系统、施力簧片h与受激磁铁j及调频质量块r构成一个弹簧质量系统、两个平衡簧片q与激励器k构成一个弹簧质量系统，故俘能器总体为三自由度系统。
本发明中，压电振子g安装前为平直结构、安装后为弯曲结构且压电晶片g2承受压应力，非工作时压电晶片g2上最大的压应力为其许用压应力的50％；顶块i的高度为其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm和H分别为基板g1厚度和压电振子g总厚度，Em和Ep分别为基板g1和压电晶片g2的杨氏模量，k31和分别为压电陶瓷材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子g的长度。

Claims (1)

1.一种用于河流监测系统的间接激励式自发电装置，其特征在于：外壳的内部经筋板安装有内壳，内壳的侧壁的右端设有内壳底壁，内壳的侧壁的左端装有端盖，端盖的凸台上装有两个压电振子和一个施力簧片；压电振子由基板和压电晶片粘接而成，压电振子的自由端装有顶块，顶块位于基板一侧，顶块的非固定端为圆弧形；施力簧片夹在两个压电振子之间，顶块顶靠在施力簧片上，施力簧片的自由端装有受激磁铁和调频质量块；内壳底壁上镶嵌有两条定磁铁，两条定磁铁对称布置在施力簧片两侧，定磁铁与受激磁铁的异性磁极相对安装；内壳底壁的右侧设有两个耳板和两个内壳连接板；激励器的摇臂上设有销孔，销孔套在销轴上，销轴的两端分别固定在两个耳板上；摇臂的一端设有扰流体、另一端装有激励磁铁，激励磁铁与受激磁铁的异性磁极相对安装，扰流体为中空结构；摇臂的两侧各设有一个激励器连接板，平衡簧片的一端装在内壳连接板上、另一端装在激励器连接板上；施力簧片和平衡簧片厚度方向上的中心层、销轴的中心线及扰流体的中心线位于同一平面上。
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