CN107561307B - 一种自供能风向风速监测仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自供能风向风速监测仪，属风力测量领域。主体上装有端盖和旗帆、设有半轴；激励器主轴经轴承装在端盖和主体底壁上，主轴左端装有叶片；激励器的激励盘上装有尺寸及数量相同且均布在两半径不同圆周上的内外磁铁；端盖上均布有由片簧、压电振子、惯性块和受激磁铁构成的发电单元；压电振子的基板靠近片簧安装且基板翻边顶靠在片簧上；受激磁铁和内外磁铁异性磁极相对安装；压电振子安装前为平直结构、安装后为弯曲结构；壳体的底壁套在半轴上、侧壁装在主体侧壁上；壳体底壁内侧装有电路板、外侧均布有传感器；半轴经轴承装在镶有两块圆磁铁的底座上，圆磁铁中心与传感器中心位于同一圆周上，圆磁铁对称安装在半轴两侧。

Description

一种自供能风向风速监测仪

技术领域

本发明属风力测量技术领域，具体涉及一种自供能风向风速监测仪。

背景技术

风向风速测量技术在气象、民航、公路与桥梁及采矿等行业都有广泛的应用需求。目前，用于风向风速测量的新型传感器、数据采集与处理技术等都取得了长足的发展，其中便携式数字式风速测量仪在工业生产中已获得广泛的实际应用。然而，野外自然环境中风向风速测量方面还有一些急需解决的关键问题，如数据采集、处理及持续远程传输的能量供应问题，测量系统的低风速启动问题，等等。

发明内容

本发明提出一种自供能风向风速监测仪，本发明采用的实施方案是：主体的侧壁端部经螺钉安装有端盖、底壁外侧经压条和螺钉安装有旗帆，主体的侧壁外侧设有半轴；激励器由主轴及激励盘构成，激励盘与主轴的回转中心相同；主轴左右两端经径向轴承分别安装在端盖和主体的底壁上，主轴的左端经端盖从主体的内腔中伸出，主轴的左端经螺钉安装有带叶片的法兰盘；激励盘上经螺钉安装有一组内磁铁和一组外磁铁，内磁铁和外磁铁的尺寸及磁极配置方式相同、数量相等且分别均布在以激励盘中心为圆心的两个半径不同的圆周上，圆周上相邻的内磁铁和外磁铁间的夹角为Q＝360/N，其中N为内磁铁和外磁铁的数量之和；端盖的凸台的侧壁上经螺钉和压板均布地安装有发电单元，发电单元由片簧、片簧两侧对称配置的压电振子及片簧自由端经螺钉安装的惯性块和受激磁铁构成，片簧及压电振子的一端经压板压接在端盖的凸台上；压电振子由基板和压电片粘接而成，基板自由端设有翻边，基板靠近片簧安装且基板自由端的翻边顶靠在片簧上；受激磁铁和内磁铁及外磁铁的异性磁极相对安装，片簧不变形时受激磁铁与内磁铁和外磁铁的径向距离相等。

本发明中，压电振子安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，非工作时压电片上所承受的最大的压应力为其许用值的一半，压电振子上两层结构端部的变形量为其许用值的一半，即其中：B＝1-α+αβ，A＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6α²(1-β)-4α(1-β)+1，α＝h_m/H，β＝E_m/E_p，h_m和H分别为基板的厚度和压电振子总厚度，E_m和E_p分别为基板和压电片的杨氏模量，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为压电振子两层结构部分的悬臂长度。

壳体的底壁套在半轴上，壳体的侧壁经螺钉安装在主体的侧壁外侧；壳体的底壁内侧经螺钉安装有电路板，电路板上设有能量转换电路、运算处理电路与信息发射系统；壳体的底壁外侧经螺钉安装有一组传感器，传感器均布在以半轴轴心为圆心的圆周上，传感器由等厚的镍基板与压电膜粘接而成，压电膜直径与镍基板可变形部分的直径之比为0.8，压电膜朝上安装；半轴经端面轴承及螺母安装在底座上，底座上镶有两块圆磁铁，圆磁铁的中心与传感器的中心位于同一圆周上，圆磁铁对称安装在半轴两侧。

当工作中环境的风向及风速变化时，旗帆受风力作用将带动主体及传感器绕半轴转动，从而实现风速与风向的自动测量，过程如下：

旗帆带动主体转动时使叶片朝向来风方向，叶片在风力作用下带动激励器、内磁铁及外磁铁相对主体及发电单元转动；当内磁铁逐渐靠近受激磁铁时内磁铁与受激磁铁间的吸引力使片簧向靠近主轴的方向弯曲变形，当外磁铁逐渐靠近受激磁铁时外磁铁与受激磁铁间的吸引力使片簧向远离主轴的方向弯曲变形；片簧的弯曲变形迫使其一侧压电振子变形量增加、另一侧压电振子变形量减小，当受激磁铁与内磁铁或外磁铁的几何中心重叠、相互吸引力最大时，变形量逐渐增加的压电振子的实际变形量小于其许用值；压电振子变形量交替增加与减小的过程中压电片的应力交替地增加和减小，从而将机械能转换成了电能，此为压电发电过程；由于单位时间内压电振子产生的电压波形数量与主轴转速成正比、主轴转速与风速成正比，故本发明利用单位时间内压电振子产生的电压波形数f表征风速v，即v＝λf，其中λ为修正系数。

旗帆带动主体转动时，随主体转动的各传感器与圆磁铁的相对位置发生变化，从而使各传感器上镍基板的变形量及压电膜上的电压值发电变化，与圆磁铁距离近的传感器的电压高、远的传感器的电压弱或无电压，故本发明根据各传感器电压信号的强弱及有无判断风向。

优势与特色：结构简单、启动风速低，所需能量自给、无需化学电池和铺设电缆；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；系统基频易通过惯性块质量、片簧刚度加以调整；工作中压电振子仅承受单向激励、产生单向弯曲变形、压电片仅承受压应力且激励距离可控，故可靠性高。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中监测仪的结构示意图；

图2是安装有激励磁铁的激励器结构示意图；

图3是图2的左视图；

图4是图1的I部视图；

图5是图1的II部视图。

具体实施方式

主体a的侧壁a1端部经螺钉安装有端盖b，主体a的底壁a2外侧经压条c和螺钉安装有旗帆d，主体a的侧壁a1外侧设有半轴a3；激励器e由主轴e1及激励盘e2构成，激励盘e2的回转中心与主轴e1的回转中心相同；主轴e1左右两端经径向轴承f分别安装在端盖b和主体a的底壁a2上，主轴e1的左端经端盖b从主体a的内腔中伸出，主轴e1的左端经螺钉安装有带叶片g1的法兰盘g；激励盘e2上经螺钉安装有一组内磁铁h和一组外磁铁h’，内磁铁h和外磁铁h’的尺寸及磁极配置方式相同、数量相等且分别均布在以激励盘e2中心为圆心的两个半径不同的圆周上，圆周上相邻的内磁铁h和外磁铁h’间的夹角为Q＝360/N，其中N为内磁铁h和外磁铁h’的数量之和；端盖b的凸台b1的侧壁上经螺钉和压板i均布地安装有发电单元E，发电单元E由片簧j、片簧j两侧对称配置的压电振子k及片簧j自由端经螺钉安装的惯性块m和受激磁铁n构成，片簧j及压电振子k的一端经压板i压接在端盖b的凸台b1上；压电振子k由基板k1和压电片k2粘接而成，基板k1自由端设有翻边k3，基板k1靠近片簧j安装且基板k1自由端的翻边k3顶靠在片簧j上；受激磁铁n和内磁铁h及外磁铁h’的异性磁极相对安装，片簧j不变形时受激磁铁n与内磁铁h间的距离l和与外磁铁h’间的距离l’相等。

本发明中，压电振子k安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，非工作时压电片k2上所承受的最大的压应力为其许用值的一半，压电振子k上两层结构端部的变形量为其许用值的一半，即其中：B＝1-α+αβ，A＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6α²(1-β)-4α(1-β)+1，α＝h_m/H，β＝E_m/E_p，h_m和H分别为基板k1的厚度和压电振子k总厚度，E_m和E_p分别为基板k1和压电片k2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k两层结构部分的悬臂长度。

壳体z的底壁z1套在半轴a3上，壳体z的侧壁z2经螺钉安装在主体a的侧壁a1的外侧；壳体z的底壁z1内侧经螺钉安装有电路板y，电路板y上设有能量转换电路、运算处理电路与信息发射系统；壳体z的底壁z1外侧经螺钉安装有一组传感器x，传感器x均布在以半轴a3轴心为圆心的圆周上，传感器x由等厚的镍基板x1与压电膜x2粘接而成，压电膜x2的直径与镍基板x1可变形部分的直径之比为0.8，压电膜x2朝上安装；半轴a3经端面轴承p及螺母q安装在底座r上，底座r上镶有两块圆磁铁s，圆磁铁s的中心与传感器x的中心位于同一圆周上，圆磁铁s对称安装在半轴a3的两侧。

当工作中环境的风向及风速变化时，旗帆d受风力作用将带动主体a及传感器x绕半轴a3转动，从而实现风速与风向的自动测量，过程如下：

旗帆d带动主体a转动时使叶片g1朝向来风方向，叶片g1在风力作用下带动激励器e、内磁铁h及外磁铁h’相对主体a及发电单元E转动；当内磁铁h逐渐靠近受激磁铁n时，内磁铁h与受激磁铁n间的吸引力使片簧j向靠近主轴e1的方向弯曲变形，当外磁铁h’逐渐靠近受激磁铁n时，外磁铁h’与受激磁铁n间的吸引力使片簧j向远离主轴e1的方向弯曲变形；片簧j的弯曲变形迫使其一侧压电振子k的变形量增加、另一侧压电振子k的变形量减小，当受激磁铁n与内磁铁h或外磁铁h’的几何中心重叠、相互吸引力最大时，变形量逐渐增加的压电振子k的实际变形量小于其许用值；压电振子k变形量交替增加与减小的过程中压电片k2的应力交替地增加和减小，从而将机械能转换成了电能，此为压电发电过程；由于单位时间内压电振子k产生的电压波形数量与主轴e1的转速成正比、主轴e1的转速与风速成正比，故本发明利用单位时间内压电振子k产生的电压波形数量f表征风速v，即v＝λf，其中λ为修正系数。

旗帆d带动主体a转动时，随主体a转动的各传感器x与圆磁铁s的相对位置发生变化，从而使各传感器x上镍基板x1的变形量及压电膜x2上的电压值发电变化，与圆磁铁s距离近的传感器x的电压高、远的传感器x的电压弱或无电压，故本发明根据各传感器x电压信号的强弱及有无判断风向。

Claims (1)

1.一种自供能风向风速监测仪，其特征在于：主体的侧壁端部装有端盖、底壁外侧装有旗帆、侧壁外侧设有半轴；激励器由主轴及激励盘构成，主轴两端经径向轴承分别安装在端盖和主体的底壁上，主轴的左端经端盖从主体内腔中伸出并装有带叶片的法兰盘；激励盘上装有一组内磁铁和一组外磁铁，内磁铁和外磁铁的尺寸及磁极配置方式相同、数量相等且分别均布在以激励盘中心为圆心的两个半径不同的圆周上，圆周上相邻的内磁铁和外磁铁间的夹角为Q＝360/N，其中N为内磁铁和外磁铁的数量之和；端盖的凸台的侧壁上均布地装有发电单元，发电单元由片簧、片簧两侧对称配置的压电振子及片簧自由端安装的惯性块和受激磁铁构成；压电振子由基板和压电片粘接而成，基板靠近片簧安装且自由端的翻边顶靠在片簧上；受激磁铁和内磁铁及外磁铁的异性磁极相对安装，片簧不变形时受激磁铁与内磁铁和外磁铁的径向距离相等；压电振子安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，非工作时压电振子上两层结构端部的变形量为其许用值的一半；壳体的底壁套在半轴上，壳体的侧壁安装在主体的侧壁外侧；壳体的底壁内侧装有电路板，电路板上设有能量转换电路、运算处理电路与信息发射系统；壳体的底壁外侧装有一组传感器，传感器均布在以半轴轴心为圆心的圆周上，传感器由等厚的镍基板与压电膜粘接而成，压电膜朝上安装；半轴经端面轴承装在底座上，底座上镶有两块圆磁铁，圆磁铁中心与传感器中心位于同一圆周上，圆磁铁对称安装在半轴两侧；利用单位时间内压电振子产生的电压波形数表征风速，根据各传感器电压信号的强弱及有无判断风向。