CN107576816B - 一种风速风向监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种风速风向监测装置，属于风力监测技术领域。上壳底壁上设有通孔，上壳侧壁上设有上环台，上壳侧壁端部装有上盖；下壳顶壁上设有带通孔的轴台，下壳侧壁上设有下环台，下壳侧壁端部装在支架的横板上，横板上装有电路板；轴台上装有嵌有磁柱的轴套；轴台端部经螺钉与上壳底壁相连；上壳底壁或下壳顶壁上镶嵌有传感器，传感器均布在以轴台中心为圆心的圆周上；上下环台上装有弧形的、自由端装有磁片的压电振子，压电振子的基板靠近上环台或下环台安装，磁片与各磁柱间的作用力为排斥力；激励器的摆臂的一端设有弧形的连接板、另一端设有空心的圆柱体，连接板装在轴套上；摆臂的平面上镶嵌有圆磁铁，圆磁铁置于传感器所处的圆周上。
Description
技术领域
本发明属风力监测技术领域，具体涉及一种风速风向监测装置，用于环境中风向变化的自动监测。
背景技术
风向风速测量与监测技术在气象、民航、公路与桥梁及采矿等行业都有广泛的应用需求。目前，用于风向风速监测的新型传感器、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，监测系统的低风速启动问题，等等。
发明内容
本发明提出一种风速风向监测装置，本发明采用的实施方案是：上壳底壁上设有通孔，上壳侧壁上设有上环台，上壳侧壁端部经螺钉安装有上盖；下壳顶壁上设有带通孔的轴台，下壳侧壁上设有下环台，下壳侧壁的端部经螺钉安装在支架的横板上，横板上经螺钉安装有电路板，电路板置于下壳体的腔体内，电路板上设有能量转换系统、控制系统及信息发射系统；轴台外侧经轴承安装有轴套，轴套上均布地镶嵌有磁柱；轴台的端部经螺钉与上壳底壁相互连接，上壳体的内腔与下壳体的内腔经轴台上的通孔相互连通；磁柱的磁极沿轴台的轴向配置且各磁柱磁极配置方向相同；上壳底壁或下壳顶壁上镶嵌有传感器，传感器均布在以轴台中心为圆心的圆周上。
上环台及下环台上经压环及螺钉安装有压电振子，压电振子是由等厚度的基板和压电片粘接而成的弧形结构，基板的弯曲半径小于压电片的弯曲半径，基板靠近上环台或下环台安装，压电振子自由端经螺钉安装有磁片，磁柱绕轴台转动过程中磁片与磁柱间的作用力均为排斥力，且磁片与磁柱间排斥力最大时压电振子的变形量小于其许用值δ＝R{1-cos[90l/(πR)]}，其中R为压电片凸面上的半径，l为压电振子悬臂部分的长度。
激励器的摆臂的一端设有弧形的连接板、另一端设有空心的圆柱体，连接板经螺钉安装在轴套上；圆柱体的直径可大于上壳体及下壳体的直径，圆柱体与摆臂平面相垂直且摆臂位于圆柱体的中部；摆臂的平面上镶嵌有圆磁铁，圆磁铁置于传感器所处的圆周上；圆磁铁数量大于2时，各圆磁铁间的距离相等且磁极配置方式相同。
环境中有风吹过时，风绕过上壳体及下壳体后再通过与圆柱体耦合作用使激励器绕轴台往复摆动，从而使磁柱与磁片的相对位置、以及圆磁铁与传感器的相对位置发生变化：磁柱与磁片的相对位置发生变化的过程中，磁柱与磁片的几何中心重叠时其相互作用力及压电振子变形量最大，磁片位于两个磁柱中间时其相互作用力及压电振子变形量都最小；随圆柱体及磁柱的往复摆动，压电振子的变形量及压电片上的应力交替地增加和减小，从而将机械能转换成电能，所生成的电能经导线传输到电路板上，经转换处理后用于风速及风向信号的处理计算与发射；同时，根据单位时间内所生成电压波形的数量确定风速，所得风速为v＝ηfD，式中η为修正系数，f为单位时间内生成的电压波形数量，D为圆柱体的直径。
圆磁铁与传感器的相对位置发生变化时，各传感器所检测到的磁场强度不同，与圆磁铁距离近的传感器检测到的磁场强度高、远的传感器检测到的磁场强度弱或无磁场，故本发明根据各传感器检测到磁场强度的强弱及有无确定风向。
所获得的风速及风向变化信息经电路板上的信息发射系统发射出去。
本发明中，为使压电振子具有最大的发电能力并避免压电片因制作过程中拉应力过大而损坏，压电振子装配前的自然状态下压电片凸面上的半径最小值为其中H为压电振子厚度，E1、E2分别为基板和压电片的弹性模量，g31、T*分别为压电材料的介电常数、电压常数和许用拉应力。
优势与特色：结构简单、启动风速低，所需能量自给、风速风向适应性强；工作中压电振子仅承受单向激励、产生单向弯曲变形且变形量可控，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装置的结构剖面示意图；
图2是本发明一个较佳实施例中激励器的结构示意图；
图3是图2的俯视图；
图4是图1的A-A剖视图；
图5是图1的B-B剖视图。
具体实施方式
上壳底壁a1上设有通孔，上壳侧壁a2上设有上环台a3，上壳侧壁a2端部经螺钉安装有上盖b；下壳顶壁c1上设有带通孔的轴台c2，下壳侧壁c3上设有下环台c4，下壳侧壁c3的端部经螺钉安装在支架d的横板d1上，横板d1上经螺钉安装有电路板e，电路板e置于下壳体c的腔体内，电路板e上设有能量转换系统、控制系统及信息发射系统；轴台c2外侧经轴承f安装有轴套g，轴套g上均布地镶嵌有磁柱h；轴台c2的端部经螺钉与上壳底壁a1相互连接，上壳体a的内腔与下壳体c的内腔经轴台c2上的通孔相互连通；磁柱h的磁极沿轴台c2的轴向配置且圆周上相邻的两个磁柱h的磁极配置方向相同；上壳底壁a1或下壳顶壁c1上镶嵌有传感器i，传感器i均布在以轴台c2中心为圆心的圆周上。
上环台a3及下环台c4上经压环k及螺钉安装有压电振子n，压电振子n是由等厚度的基板n1和压电片n2粘接而成的弧形结构，基板n1的弯曲半径小于压电片n2的弯曲半径，基板n1靠近上环台a3或下环台c4安装，压电振子n自由端经螺钉安装有磁片p，磁柱h绕轴台c2转动过程中磁片p与磁柱h间的作用力均为排斥力，且磁片p与磁柱h间排斥力最大时压电振子n的变形量小于其许用值δ＝R{1-cos[90l/(πR)]}，其中R为压电片n2凸面上的半径，l为压电振子n悬臂部分的长度。
激励器j的摆臂j1的一端设有弧形的连接板j2、另一端设有空心的圆柱体j3，连接板j2经螺钉安装在轴套g上；圆柱体j3的直径可大于上壳体a及下壳体c的直径，圆柱体j3与摆臂j1平面相垂直且摆臂j1位于圆柱体j3的中部；摆臂j1的平面上镶嵌有圆磁铁m，圆磁铁m置于传感器i所处的圆周上；圆磁铁m数量大于2时，各圆磁铁m间的距离相等且磁极配置方式相同。
环境中有风吹过时，风绕过上壳体a及下壳体c后再通过与圆柱体j3耦合作用使激励器j绕轴台c2往复摆动，从而使磁柱h与磁片p的相对位置、以及圆磁铁m与传感器i的相对位置发生变化：磁柱h与磁片p的相对位置发生变化的过程中，磁柱h与磁片p的几何中心重叠时其相互作用力及压电振子n的变形量最大，磁片p位于两个磁柱h中间时其相互作用力及压电振子n的变形量都最小；随圆柱体j3及磁柱h的往复摆动，压电振子n的变形量及压电片n2上的应力交替地增加和减小，从而将机械能转换成电能，所生成的电能经导线传输到电路板e上，经转换处理后用于风速及风向信号的处理计算与发射；同时，根据单位时间内所生成电压波形的数量、即圆柱体j3摆动的频率确定风速，所得风速为v＝ηfD，式中η为修正系数，f为单位时间内生成的电压波形数量，D为圆柱体j3的直径。
圆磁铁m与传感器i的相对位置发生变化时，各传感器i所检测到的磁场强度不同，与圆磁铁m距离近的传感器i检测到的磁场强度高、远的传感器i检测到的磁场强度弱或无磁场，故本发明根据各传感器i检测到磁场强度的强弱及有无确定风向。
所获得的风速及风向变化信息经电路板e上的信息发射系统发射出去。
本发明中，为使压电振子n具有最大的发电能力并避免压电片n2因制作过程中拉应力过大而损坏，压电振子n装配前的自然状态下压电片n2凸面上的半径最小值为其中H为压电振子n的厚度，E1、E2分别为基板n1和压电片n2的弹性模量，g31、T*分别为压电材料的介电常数、电压常数和许用拉应力。
Claims (1)
1.一种风速风向监测装置，其特征在于：上壳底壁上设有通孔，上壳侧壁上设有上环台，上壳侧壁端部装有上盖；下壳顶壁上设有带通孔的轴台，下壳侧壁上设有下环台，下壳侧壁端部装在支架的横板上，横板上经螺钉装有电路板，电路板上设有能量转换系统、控制系统及信息发射系统；轴台外侧经轴承安装有轴套，轴套上均布地镶嵌有磁柱；轴台的端部经螺钉与上壳底壁相连，上壳体的内腔与下壳体的内腔经轴台上的通孔相连通；磁柱的磁极沿轴台的轴向配置且各磁柱磁极配置方向相同；上壳底壁或下壳顶壁上镶嵌有传感器，传感器均布在以轴台中心为圆心的圆周上；上环台及下环台上装有压电振子，压电振子是由等厚度的基板和压电片粘接而成的弧形结构，基板的弯曲半径小于压电片的弯曲半径，基板靠近上环台或下环台安装，压电振子自由端装有磁片，磁柱绕轴台转动过程中磁片与磁柱间的作用力均为排斥力，且磁片与磁柱间排斥力最大时压电振子的变形量小于其许用值；激励器的摆臂的一端设有弧形的连接板、另一端设有空心的圆柱体，连接板装在轴套上，圆柱体位于上壳侧壁和下壳侧壁的外侧；摆臂的平面上镶嵌有圆磁铁，圆磁铁置于传感器所处的圆周上；圆磁铁数量大于2时，各圆磁铁间的距离相等且磁极配置方式相同；根据单位时间内所生成电压波形的数量确定风速，根据各传感器检测到磁场强度的强弱及有无确定风向，所得风速及风向变化信息经电路板上的信息发射系统发射出去。
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