CN107370414B - 一种船载定位装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种船载定位装置，属船舶装备技术领域。装有限位环的端盖装在主体侧壁上；主体侧壁上设有环台、底壁上装有电路板和激励器的底座，电路板上设有能量转换电路和信息发射系统；激励器的底座上设有摆杆，摆杆端部设有圆盘，圆盘上设有激励筒，圆盘上装有惯性块；环台上装有多组压电振子，各组压电振子由隔环隔开；压电振子由基板和压电片粘接而成，压电片靠近主体的底壁安装；基板自由端设有向压电片的一侧弯曲的基板翻边，基板翻边顶靠在激励筒上；压电振子安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，非工作时长度最短的一组压电振子自由端变形量为其许用值的一半；激励筒与限位环接触时，长度最短的一组压电振子中的最大变形量小于其许用值。

Description

一种船载定位装置
技术领域
本发明属于船舶装备技术领域，具体涉及一种船载定位装置。
背景技术
船舶定位跟踪系统在民用船舶上已得到广泛应用，为船舶的航行安全、及时救援、以及失联后的搜救等提供了有力的保障。然而，现有的定位跟踪系统都是基于发动机供电的，一旦船舶出现事故使发动机及整个电力系统失效时，定位跟踪系统也失去了其应有的功能。此外，现有的定位跟踪系统都是外置的，船舶失事进水时无法正常工作、船舶被不法分子劫持后定位系统也容易被关闭或破坏。近年来，为确保船舶定位系统安全可靠地工作，人们已经着手研究基于压电材料的自供电装置，称压电发电机或压电俘能器，以便与定位系统集成且被隐秘安装。然而，目前所提出的船舶定位跟踪系统用压电发电机大多直接利用压电振子上的附加质量惯性力激励，故只能收集某一固定振动方向的能量且谐振频率可调性差；最关键是压电振子工作中承受双向激励、产生双向弯曲变形，当船舶在风浪中振动或摇动幅度较大时，脆性压电材料易因所受拉应力过大而破碎。因此，为使压电发电机在船舶定位跟踪系统中得以实际应用，首先需要解决的关键问题是提高其振动方向的适应性、可靠性以及谐振频率的可调性。
发明内容
本发明提出一种船载定位装置，本发明采用的实施方案是：端盖经螺钉安装在主体侧壁的端部，端盖上经螺钉安装有橡胶材料制作的限位环，限位环的一端镶嵌在端盖上；主体侧壁上设有环台，主体的底壁上经螺钉安装有电路板和激励器的底座，电路板上设有能量转换电路和信息发射系统；激励器的底座上设有摆杆，摆杆端部设有带安装通孔的圆盘，圆盘上设有圆台状的激励筒；圆盘上经螺钉安装有惯性块，惯性块置于激励筒内；环台上经螺钉和压环安装有1～20组压电振子，同组中各压电振子的长度相同，不同组间各压电振子长度不同且各组压电振子间经隔环隔开，各压电振子都经独立的导线组与电路板相连；压电振子为由基板和压电片粘接而成的扇形或长方形悬臂梁，压电片靠近主体的底壁安装；基板自由端设有基板翻边，基板翻边向压电片的一侧弯曲，基板翻边顶靠在激励筒上；压电振子安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，非工作时长度最短的一组压电振子自由端弯曲变形量为其许用值的一半；压电振子为长方形时，其自由端变形量的许用值为
Figure BSA0000149560430000011
其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，/>
Figure BSA0000149560430000012
α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm为基板厚度，H为压电振子总厚度，Em和Ep分别为基板和压电片材料的杨氏模量，k31和/>
Figure BSA0000149560430000021
分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子的悬臂长度。
本发明中，压电振子自由端是指包含基板和压电片两层结构的端部。
非工作状态下，即环境中无振动时，摆杆处于自然状态、不发生弯曲变形，此时每组中各压电振子的弯曲变形状态及其上压电片上的应力分布状态分别相同；当环境中存在振动时，即船舶在水上摇摆时，圆盘、激励筒及惯性块的惯性力将迫使摆杆产生弯曲变形，从而改变压电振子变形量和压电片上的应力分布状态，压电片上应力分布状态的变化过程中即将机械能转换成了电能，所生成的电能经能量转换电路处理后供给信号发射系统，信号发射系统再将船舶的地理位置信号发射出去；当摆杆摆动幅度较大并使激励筒与限位环接触时，长度最短的一组压电振子中的最大变形量小于其许用值，从而确保压电片上的最大压应力小于其许用值。
本发明中，压电振子变形特性由激励筒的摆动状态所决定；在压电振子及激励器的结构及尺度确定时，可通过惯性块的质量加以调整激励器的基频，实现与船舶颠簸振动频率相匹配；同时，因压电振子自身的基频远高于船舶的颠簸振动频率，故压电振子始终工作在一阶模态下，发电效果较好；此外，压电振子工作中仅承受激励筒的单向激励，且该激励方向使压电片承受压应力，压电振子在依靠其自身弹性力恢复变形时压电片上将不会出现拉应力或拉应力较小，故可靠性高。
本发明的船载定位装置可旋转180度安装，即将主体置于端盖的上方。
优势与特色：可收集船舶航行时任意方向的颠簸和振动能量发电，环境适应能力强；压电振子自身无附加质量、基频高，可确保工作在一阶模态下，发电效果好，且系统基频易于通过惯性块的质量加以调节；工作中压电振子仅承受单向激励、产生单向弯曲变形、压电晶片仅承受压应力，故可靠性高。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中定位装置的结构剖面图；
图2是图1中采用扇形压电振子时的A-A剖视图；
图3是图1中采用矩形压电振子时的A-A剖视图；
图4是本发明一个较佳实施例中压电振子的结构示意图。
具体实施方式
端盖a经螺钉安装在主体b的主体侧壁b1的端部，端盖a上经螺钉安装有橡胶材料制作的限位环c，限位环c的一端镶嵌在端盖a上；主体侧壁b1上设有环台b2，主体b的底壁b3上经螺钉安装有电路板d和激励器e的底座e1，电路板d上设有能量转换电路和信息发射系统；激励器e的底座e1上设有摆杆e2，摆杆e2端部设有带安装通孔的圆盘e3，圆盘e3上设有圆台状的激励筒e4，圆盘e3上经螺钉安装有惯性块f，惯性块f置于激励筒e4内；主体侧壁b1上的环台b2上经螺钉和压环g安装有1～20组压电振子h，同组中各压电振子h的长度相同，不同组间各压电振子h的长度不同且各组压电振子h间经隔环i隔开，各压电振子h都经独立的导线组与电路板d相连；压电振子h为由基板h1和压电片h2粘接而成的扇形或长方形悬臂梁，压电片h2靠近主体b的底壁b3安装；基板h1的自由端设有基板翻边h3，基板翻边h3向压电片h2的一侧弯曲，基板翻边h3顶靠在激励筒e4上；压电振子h安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，非工作时长度最短的一组压电振子h自由端弯曲变形量为其许用值的一半；压电振子h为长方形时，其自由端变形量的许用值为
Figure BSA0000149560430000031
其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，/>
Figure BSA0000149560430000032
α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm为基板h1的厚度，H为压电振子h总厚度，Em和Ep分别为基板h1和压电片h2材料的杨氏模量，k31和/>
Figure BSA0000149560430000033
分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子h的悬臂长度。
本发明中，压电振子h的自由端是指包含基板h1和压电片h2两层结构的端部。
非工作状态下，即环境中无振动时，摆杆e2处于自然状态、不发生弯曲变形，此时每组中各压电振子h的弯曲变形状态及其上压电片h2上的应力分布状态分别相同；当环境中存在振动时，即船舶在水上摇摆时，圆盘e3、激励筒e4及惯性块f的惯性力将迫使摆杆e2产生弯曲变形，从而改变压电振子h的变形量和压电片h2上的应力分布状态，压电片h2上应力分布状态的变化过程中即将机械能转换成了电能，所生成的电能经能量转换电路处理后供给信号发射系统，信号发射系统再将船舶的地理位置信号发射出去；当摆杆e2的摆动幅度较大并使激励筒e4与限位环c接触时，长度最短的一组压电振子h中的最大变形量小于其许用值，从而确保压电片h2上的最大压应力小于其许用值。
本发明中，压电振子h的变形特性由激励筒e4的摆动状态所决定；在压电振子h及激励器e的结构及尺度确定时，可通过惯性块f的质量加以调整激励器e的基频，实现与船舶颠簸振动频率相匹配；同时，因压电振子h自身的基频远高于船舶的颠簸振动频率，故压电振子h始终工作在一阶模态下，发电效果较好；此外，压电振子h工作中仅承受激励筒e4的单向激励，且该激励方向使压电片h2承受压应力，压电振子h在依靠其自身弹性力恢复变形时压电片h2上将不会出现拉应力或拉应力较小，故可靠性高。
本发明的船载定位装置可旋转180度安装，即将主体b置于端盖a的上方。

Claims (1)

1.一种船载定位装置，其特征在于：主体为由侧壁和底壁构成的端口朝上的圆桶形结构，端盖装在主体端口上，端盖的下表面中心处装有限位环；主体侧壁上设有环台，主体的底壁内侧装有电路板和激励器的底座，电路板上设有能量转换电路和信息发射系统；激励器的底座上设有摆杆，摆杆端部设有圆盘，圆盘上设有激励筒，圆盘与激励筒构成端口朝上且端口直径大于圆盘直径的圆台形壳体；圆盘上装有惯性块，惯性块置于激励筒内；环台上装有1～20组压电振子，各组压电振子间经隔环隔开；压电振子为由基板与其一侧的压电片粘接而成的扇形或长方形悬臂梁，压电片靠近主体的底壁安装；基板自由端设有基板翻边，基板翻边向压电片的一侧弯曲，基板翻边顶靠在激励筒上；压电振子安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，非工作时长度最短的一组压电振子自由端弯曲变形量为其许用值的一半；激励筒与限位环接触时，长度最短的一组压电振子中的最大变形量小于其许用值；压电振子为长方形时其自由端变形量的许用值为
Figure FDA0004201509990000011
其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，/>
Figure FDA0004201509990000012
α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm为基板厚度，H为压电振子总厚度，Em和Ep分别为基板和压电片材料的杨氏模量，k31和/>
Figure FDA0004201509990000013
分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子的悬臂长度。
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