CN108459176B - 基于风致振的压电能量收集结构及自供电风速测量装置、方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风速测量技术领域，具体而言，涉及一种基于风致振的压电能量收集结构及自供电风速测量装置、方法，包括：壳体和设于壳体内的环音振动机构和压电换能机构；其中环音振动机构，包括设于壳体一端开口部的微孔增流组件和位于壳体内腔中的环形谐振腔；微孔增流组件包括一环形堵塞和位于该环形堵塞外周的环形喷气道；环形喷气道与环形谐振腔贯通相连；环形谐振腔与微孔增流组件相对的端部具有环形尖劈，当气流通过环形喷气道后冲压环形尖劈处，环形尖劈产生音频扰动使环形谐振腔内部的空气进入谐振状态；压电换能机构，收容于壳体的另一端开口部配置的盖板内侧壁上，压电换能机构包括基板和分别贴合于基板两侧端的第一压电片和第二压电片。

Description

基于风致振的压电能量收集结构及自供电风速测量装置、 方法

技术领域

本发明涉及风速测量技术领域，具体而言，涉及一种基于风致振的压电能量收集结构及自供电风速测量装置、方法。

背景技术

风速传感器主要用于检测环境中的风速，应用领域广，在环境检测、天气预报、煤矿通风监测、森林防火警报等都具有应用潜力。风速传感器可分为热式和非热式。热式风速传感器基本以热温差为其工作原理，通过温差来测量风速，其制作工艺与CMOS工艺兼容。然而，该类传感器功耗较高，不太适合用作自供电无线风速传感器。非热式风速传感器将风速转换为位移、压力、电压、振动频率等信息来测量，具有很大的应用价值。

在多种可行的风速测量技术中，压电式采集器件具有较高的能量输出密度，其中，机械激励压电元件有其独特的性能，其源阻抗是电容性而不是电感性，它可以由不同幅度的机械振动来驱动。也易于加工成各种形状或与基体集成，利用压电系统将结构振动或运动转化成可用的电能最受关注，在各种传感器中得到了广泛应用。

风/气流激励型机械驱动有多种不同的形式。从激励的作用方面看，可分为转动型和振动型。靠风或气流直接推动涡轮叶片驱动的转动式电磁能量收集器存在结构复杂、加工和安装较为困难、成本高、电磁污染、可靠性低等问题。要充分利用风力、气流动能，必须寻求新的方法。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种基于风致振的压电能量收集结构，以解决提高压电换能机构振动时的输出功率的技术问题。

本发明的第二目的是提供一种自供电风速测量装置，以解决可自供电地实现风能的采集与风速的测量的技术问题。

本发明的第三目的是提供一种自供电风速测量方法，以解决可自供电地实现风能的采集与风速的测量的的技术问题。

本发明的基于风致振的压电能量收集结构是这样实现的：

一种基于风致振的压电能量收集结构，包括：壳体和设于壳体内的环音振动机构和压电换能机构；其中

所述环音振动机构，包括设于所述壳体一端开口部的微孔增流组件和位于所述壳体内腔中的环形谐振腔；所述微孔增流组件包括一环形堵塞和位于该环形堵塞外周的环形喷气道；所述环形喷气道与所述环形谐振腔贯通相连；所述环形谐振腔与所述微孔增流组件相对的端部具有环形尖劈，当气流通过环形喷气道后冲压环形尖劈处，所述环形尖劈产生音频扰动使环形谐振腔内部的空气进入谐振状态；

压电换能机构，收容于所述壳体的另一端开口部配置的盖板内侧壁上，所述压电换能机构包括基板和分别贴合于基板两侧端的第一压电片和第二压电片。

在本发明较佳的实施例中，所述第一压电片和第二压电片均采用压电PZT陶瓷制成压电片；

所述第一压电片位于所述环形谐振腔的底部且朝向环形堵塞以构成环形谐振腔的刚性壁面；

所述第二压电片位于所述环形谐振腔的底部且朝向盖板设置。

在本发明较佳的实施例中，所述环音振动机构包括位于所述微孔增流组件与环形谐振腔之间的且与所述环形谐振腔同轴设置的中心柱。

在本发明较佳的实施例中，所述微孔增流组件与所述环形谐振腔之间留有间隙；所述中心柱位于该间隙处；以及

所述中心柱的一端与所述环形堵塞固定相接形成固定端；

所述中心柱的另一端的活动端部分地伸入所述环形谐振腔内。

在本发明较佳的实施例中，所述间隙的周向开有数个垂直轴或倾斜的排气孔。

在本发明较佳的实施例中，所述环形喷气道为一环形贯通的进气槽，该进气槽的槽壁通过一组筋板与所述环形堵塞相连；以及

所述进气槽的进气端的内径大于该进气槽的出气端的内径；或

所述环形喷气道为一环形结构的间隔设置的若干进气孔；

所述进气孔的进气端的内径大于该进气孔的出气端的内径。

在本发明较佳的实施例中，所述环形尖劈为外倒角结构；以及

所述环形尖劈对准所述环形喷气道的出气端。

本发明的自供电风速测量装置是这样实现的：

一种自供电风速测量装置，包括：所述的基于风致振的压电能量收集结构和风速处理单元；

风速处理单元，包括通过第一引线与所述第一压电片电性连接的风速处理模块和通过第二引线与所述第二压电片电性连接的供电模块；所述供电模块适于为所述风速处理模块供电；所述风速处理模块适于将第一压电片所产生的电压换算成相应的风速值。

在本发明较佳的实施例中，所述风速处理模块包括整流电路、与整流电路相连的负载电阻、与负载电阻相连的A/D转换芯片、与A/D转换芯片相连的微处理器，以及与微处理器相连的显示器；

所述整流电路包括与第一引线相连的输入接口和与所述输入接口相连的电容；所述整流电路适于将第一电压片所产生的交流电压经整流后在负载电阻的两端形成直流电压；以及

所述A/D转换芯片、微处理器以及显示器的电源接口与供电模块中的输出接口相连接。

本发明的自供电风速测量方法是这样实现的：

一种自供电风速测量方法，采用所述的自供电风速测量装置；且包括：

步骤S1，在环音振动机构的环形谐振腔中形成驻波共振；

步骤S2，压电换能机构的第一压电片和第二压电片振动形成电压；

步骤S3，风速处理单元的供电模块将第二压电片形成的电压供风速处理模块使用；风速处理模块将第一压电片形成的电压换算处理得到风速值。

本发明实施例具有以下有益效果：本发明的基于风致振的压电能量收集结构及自供电风速测量装置、方法，通过装置外部的不稳定入流在环形喷气道内流动，在环形喷气道的出气端形成喷注，由环形喷气道的出气端发出的喷注在环形谐振腔前端静止的空气中通过时，喷注的边界上因高速流与静止介质的接触，不断产生旋涡，向前推动且不断发展变宽。射流冲击环形尖劈后被分离，产生扰动形成气动声源，即边棱音。边棱音可以近似等效成一个偶极子声源，偶极子声源间的周期性振荡可当作成一个压力源。一部分反射回环形喷气道的出气端和中心柱，激发更多旋涡。另一部分在环形谐振腔内进行传播，并在底部(刚性壁面)反射回来。环形谐振腔内同时存在正、负向声波，如果它们同相则振动加强，即形成驻波共振，环形谐振腔底部声压最大(压力波的波腹)，可产生主要由环形谐振腔决定的稳定。经过一段时间的耦合作用后，系统达到稳定状态。此时，射流在环形尖劈附近周期性地振荡，以维持边棱音以及环形谐振腔内的驻波共振。环形谐振腔底部的声压，即激振力，作用于压电换能单元表面，驱动其振动，压电换能单元的第一压电片和第二压电片将会产生应变形成电压。第二压电片的电压经供电模块转换成恒定直流电压，可自供给风速处理模块使用；第一压电片的电压经风速处理模块换算处理得到风速值。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1示出了本发明实施例所提供的自供电风速测量装置的下的结构示意图；

图2示出了本发明实施例所提供的基于风致振的压电能量收集结构的结构示意图；

图3示出了本发明实施例所提供的基于风致振的压电能量收集结构的阻塞的俯视结构示意图；

图4示出了本发明实施例所提供的基于风致振的压电能量收集结构第二种实施方式下的结构示意图；

图5示出了本发明实施例所提供的基于风致振的压电能量收集结构第三种实施方式下的结构示意图；

图6示出了本发明实施例所提供的基于风致振的压电能量收集结构第四种实施方式下的结构示意图；

图7示出了本发明实施例所提供的基于风致振的压电能量收集结构的微孔增流组件的俯视结构示意图；

图8示出了本发明实施例所提供的基于风致振的压电能量收集结构的微孔增流组件的另一实施方式下的俯视结构示意图；

图9示出了本发明实施例所提供的自供电风速测量装置的供电模块的结构示意图；

图10示出了本发明实施例所提供的自供电风速测量装置的风速处理模块的结构示意图；

图11示出了本发明实施例所提供的自供电风速测量装置的风速的入流速度50m/s时第一压电片输出的交流电压情况；

图12示出了本发明实施例所提供的自供电风速测量装置的负载电阻两端电压值与风速流速之间关系图。

图中：壳体100、环形谐振腔102、中心柱103、阻塞104、进气口105、盖板109、圆形凹槽110、间隙112、排气孔115、环形堵塞201、环形喷气道202、环形尖劈203、筋板204、压电换能机构300、基板301、第一压电片303、第二压电片305、风速处理单元400。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

实施例1：

请参阅图2所示，本发明提供了一种基于风致振的压电能量收集结构，包括：壳体100和设于壳体100内的环音振动机构和压电换能机构300。

环音振动机构，包括设于壳体100一端开口部的微孔增流组件和位于壳体100内腔中的环形谐振腔102。

微孔增流组件包括一环形堵塞201和位于该环形堵塞201外周的环形喷气道202；环形喷气道202与环形谐振腔102贯通相连；环形谐振腔102与微孔增流组件相对的端部具有环形尖劈203，当气流通过环形喷气道202后冲压环形尖劈203处，环形尖劈203产生音频扰动使环形谐振腔102内部的空气进入谐振状态。

其中，本实施例中环形尖劈203为外倒角结构；以及环形尖劈203对准环形喷气道202的出气端。

请参阅图3所示，本实施例的壳体100一端的开口部还设有一适于抵顶所述微孔增流组件的阻塞104，该阻塞104为一圆柱体中心处向外延的1/2半径处两对称平面铣削成结构以在阻塞104与壳体100的内侧壁之间形成狭窄状的进气口105。阻塞104通过外螺纹与壳体100一端的开口部相接固定。

微孔增流组件的环形堵塞201中心位置有螺纹孔，以及微孔增流组件的外部有螺纹。通过外螺纹联接安装于壳体100一端开口部。

环形谐振腔102是一个两端开口的圆管，其长度与直径之比需大于0.5。前端加工成尖劈状；后端与压电换能机构300贴合，形成半封闭式圆管。

压电换能机构300，收容于壳体100的另一端开口部配置的盖板109内侧壁。压电换能机构(300)包括基板301和分别贴合于基板301两侧端的第一压电片303和第二压电片305。基板301外缘四周处于上下夹持状态，并与环形谐振腔102组合形成半封闭式圆管。本实施例的第一压电片303和第二压电片305采用压电PZT陶瓷制成压电片，第一压电片303位于所述环形谐振腔的底部且朝向环形堵塞以构成环形谐振腔的刚性壁面；第二压电片305位于所述环形谐振腔的底部且朝向盖板设置。其中，第一压电片303和第二压电片305在最低振型下的固有频率等于环形谐振腔102内的空气谐振频率。

具体的，盖板109为阶梯型结构，前端有内螺纹，用于联接外壳体100的外侧壁的外螺纹；底部有一个圆形凹槽110，用于容置部分的压电换能机构300，起定位作用。

可选的，请参阅图4和图7所示，环形喷气道202为一环形贯通的进气槽2021，该进气槽2021的槽壁通过一组筋板204与所述环形堵塞201相连；以及进气槽2021的进气端的内径大于该进气槽的出气端的内径。

还可选的，请参阅图4和图8所示，环形喷气道202为一环形结构的间隔设置的若干进气孔2022；进气孔2022的进气端的内径大于该进气孔2022的出气端的内径。

当进气槽或进气孔的进气端的内径大于出气端的内径时，在出气端形成锥形的小流量的出气结构，有利于该环形喷气道202对小流量高压气体进行流量放大，放大流量后的气体通过锥形气流喷射端喷出，激励出口处压电换能机构300，使内部压电片产生弯曲形变，利用正压电效应实现电能转化。

微孔增流组件与环形谐振腔102之间留有间隙112；间隙112的周向开有数个垂直轴或倾斜的排气孔115。

可选的，请参阅图4至图6所示，为了增强气流的漩涡效果，基于风致振的压电能量收集结构还包括位于微孔增流组件与环形谐振腔102之间的且与环形谐振腔102同轴设置的中心柱103。

中心柱103位于间隙112处；以及中心柱103的一端与环形堵塞201固定相接形成固定端。中心柱103的另一端的活动端部分地伸入环形谐振腔102内。本实施例的中心柱103是圆柱形结构，一端有外螺纹。通过外螺纹联接环形堵塞201的螺纹孔，使其安装于环形堵塞201中心，并处于环形谐振腔102的中心轴线上。

中心柱的存在一方面使得环形喷气道的出气端与环形谐振腔之间的截面减小，气流流速加快；另一方面使得波动气流作用于中心柱后被充分地向外反射，降低了气流间的干扰，使得机械能被更好地转换为声能。

可选的，请参阅图5所示，，中心柱103采用圆柱体结构，还可选的，中心柱103采用棱柱体结构，例如但限于六棱柱或八棱柱。设计为棱柱体结构时，中心柱103上的尖劈处可实现射流冲击该中心柱103的尖劈后被分离的现象，进一步增强气流的漩涡效果。

具体的，本实施例的基于风致振的压电能量收集结构具体的实施原理如下：壳体100外部的气流多为层流，经过进气口105迅速转捩为湍流，再经过环形喷气道202的在环形谐振腔102内形成喷注，喷注通过环形谐振腔102时与腔内静止的空气相遇，喷注的边界上因高速流与静止介质的接触，发生旋涡和脱落现象，向前推动且不断发展变宽。射流冲击环形尖劈203后被分离，产生扰动形成气动声源，即边棱音。边棱音可以近似等效成一个偶极子声源，偶极子声源间的周期性振荡可当作成一个压力源。一部分反射回环形喷气道202的出气端和中心柱103，激发更多旋涡。另一部分在环形谐振腔102内进行传播，并在底部(刚性壁面)反射回来。环形谐振腔102内同时存在正、负向声波，如果它们同相则振动加强，即形成驻波共振，环形谐振腔102底部声压最大(压力波的波腹)，可产生主要由环形谐振腔102决定的稳定。经过一段时间的耦合作用后，系统达到稳定状态。此时，射流在环形尖劈203附近周期性地振荡，以维持边棱音以及环形谐振腔102内的驻波共振。环形谐振腔102底部的声压，即激振力，作用于压电换能机构300的第一压电片303表面，驱动第一压电片303振动产生应变形成电压，由于基板301的作用，第二压电片305也会跟第一压电片303产生共振应变形成电压。

本发明的基于风致振的压电能量收集结构可在壳体100外部的气流的入流速度相对较低、不增加复杂进气道结构的情况下，产生可驱动压电换能机构300发电的稳定声源，使入流速度的应用范围变宽。同时，中心柱103的存在一方面使得环形喷气道202的出气端与环形谐振腔102之间的截面减小，气流流速加快；另一方面使得波动气流作用于中心柱103后被充分地向外反射，降低了气流间的干扰，使得机械能被更好地转换为声能，即通过改进增强型气流致声激振机构的结构，改善其激励性能，达到提高声源功率的目的，有利于提高压电换能机构300振动时的输出功率。

实施例2：

请参阅图1所示，在实施例1的基于风致振的压电能量收集结构的基础上，本实施例提供了一种自供电风速测量装置，采用实施例1的基于风致振的压电能量收集结构和一风速处理单元400。

风速处理单元400，包括通过第一引线与第一压电片303电性连接的风速处理模块和通过第二引线与第二压电片305电性连接的供电模块；供电模块适于为风速处理模块供电；风速处理模块适于将第一压电片303所产生的电压换算成相应的风速值。

供电模块由整流电路、电容C以及恒压芯片所组成。输入接口与第二引线相连接，输出接口与风速处理模块中的A/D转换芯片、微处理器以及显示器的电源接口相连接。供电模块可将压第二压电片305产生的交流电压转化成恒定直流电压5V/3.3V，作为供电电源。恒压芯片采用例如但不限于MAX1615。

具体的，本实施例的风速处理模块包括整流电路、与整流电路相连的负载电阻、与负载电阻相连的A/D转换芯片、与A/D转换芯片相连的微处理器，以及与微处理器相连的显示器。A/D转换芯片采用例如但不限于ADC0809；微处理器采用例如但不限于AT89C51；显示器采用例如但不限于LCD1062。

整流电路包括与第一引线相连的输入接口和与输入接口相连的电容；整流电路适于将第一电压片所产生的交流电压经整流后在负载电阻的两端形成直流电压；以及A/D转换芯片、微处理器以及显示器的电源接口与供电模块中的输出接口相连接。

自供电风速测量装置具体的实施原理如下：第一压电片303所产生的交流电压经整流后在负载电阻两端形成直流电压，通过A/D转换芯片ADC0809的PA口进行采集电压值，转换为数字信号并经PD口输入到微处理器AT89C51的P0口；依据负载电阻两端电压与风速关系，微处理器AT89C51对其进行计算后经P2口驱动显示器LCD1062进行数值显示。

实施例3：

在实施例2的自供电风速测量装置的基础上，本实施例提供了一种自供电风速测量方法，采用实施例2的自供电风速测量装置。

包括：步骤S1，在环音振动机构的环形谐振腔102中形成驻波共振；

步骤S2，压电换能机构300的第一压电片303和第二压电片305振动形成电压；

步骤S3，风速处理单元400的供电模块将第二压电片305形成的电压供风速处理模块使用；风速处理模块将第一压电片303形成的电压换算处理得到风速值。

本实施例的自供电风速测量方法具体的实施原理为：将环音振动机构和压电换能机构300结合，形成了基于风致振的压电能量收集器，其中环音振动机构在风能作用下发生振动，用于风能的收集，然后由压电换能机构300将环音振动机构的振动转化为电信号。压电换能机构300的第一压电片303所产生的交流电压经整流后在负载电阻两端形成直流电压，通过A/D转换芯片ADC0809的PA口进行采集电压值，转换为数字信号并经PD口输入到微处理器AT89C51的P0口；依据负载电阻两端电压与风速关系，微处理器AT89C51对其进行计算后经P2口驱动显示器LCD1062进行数值显示。图11所示为入流速度50m/s时第一压电片303输出的交流电压，电压幅值稳定，均方值约2.4V。

请参阅图12负载电阻两端电压值与风速之间的关系图，其拟合曲线表达式可描述为U＝0.18v(m/s)-6，根据该公式，即可通过负载电阻两端电压值求取风速值。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于风致振的压电能量收集结构，其特征在于，包括：壳体(100)和设于壳体(100)内的环音振动机构和压电换能机构(300)；其中

所述环音振动机构，包括设于所述壳体(100)一端开口部的微孔增流组件和位于所述壳体(100)内腔中的环形谐振腔(102)；所述微孔增流组件包括一环形堵塞(201)和位于该环形堵塞(201)外周的环形喷气道(202)；所述环形喷气道(202)与所述环形谐振腔(102)贯通相连；所述环形谐振腔(102)与所述微孔增流组件相对的端部具有环形尖劈(203)，当气流通过环形喷气道(202)后冲压环形尖劈(203)处，所述环形尖劈(203)产生音频扰动使环形谐振腔(102)内部的空气进入谐振状态；以及

压电换能机构(300)，收容于所述壳体(100)的另一端开口部配置的盖板(109)内侧壁上，所述压电换能机构(300)包括基板(301)和分别贴合于基板(301)两侧端的第一压电片(303)和第二压电片(305)；

所述环音振动机构包括位于所述微孔增流组件与环形谐振腔(102)之间的且与所述环形谐振腔(102)同轴设置的中心柱(103)；

所述微孔增流组件与所述环形谐振腔(102)之间留有间隙(112)；所述中心柱(103)位于该间隙(112)处； 以及

所述中心柱(103)的一端与所述环形堵塞(201)固定相接形成固定端；

所述中心柱(103)的另一端的活动端部分地伸入所述环形谐振腔(102)内。

2.根据权利要求1所述的基于风致振的压电能量收集结构，其特征在于，所述第一压电片(303)和第二压电片(305)均采用压电PZT陶瓷制成压电片；

所述第一压电片(303)位于所述环形谐振腔(102)的底部且朝向环形堵塞(201)以构成环形谐振腔(102)的刚性壁面；

所述第二压电片(305)位于所述环形谐振腔(102)的底部且朝向盖板(109)设置。

3.根据权利要求1所述的基于风致振的压电能量收集结构，其特征在于，所述间隙(112)的周向开有数个垂直轴或倾斜的排气孔(115)。

4.根据权利要求1所述的基于风致振的压电能量收集结构，其特征在于，所述环形喷气道(202)为一环形贯通的进气槽(2021)，该进气槽(2021)的槽壁通过一组筋板(204)与所述环形堵塞(201)相连；以及

所述进气槽(2021)的进气端的内径大于该进气槽(2021)的出气端的内径；或

所述环形喷气道(202)为一环形结构的间隔设置的若干进气孔(2022)；

所述进气孔(2022)的进气端的内径大于该进气孔(2022)的出气端的内径。

5.根据权利要求4所述的基于风致振的压电能量收集结构，其特征在于，所述环形尖劈(203)为外倒角结构；以及

所述环形尖劈(203)对准所述环形喷气道(202)的出气端。

6.一种自供电风速测量装置，其特征在于，包括如权利要求1～5任一项所述的基于风致振的压电能量收集结构，以及风速处理单元(400)；

所述风速处理单元(400)，包括通过第一引线与所述第一压电片(303)电性连接的风速处理模块和通过第二引线与所述第二压电片(305)电性连接的供电模块；所述供电模块适于为所述风速处理模块供电；所述风速处理模块适于将第一压电片(303)所产生的电压换算成相应的风速值。

7.根据权利要求6所述的自供电风速测量装置，其特征在于，所述风速处理模块包括整流电路、与整流电路相连的负载电阻、与负载电阻相连的A/D转换芯片、与A/D转换芯片相连的微处理器，以及与微处理器相连的显示器；

所述整流电路包括与第一引线相连的输入接口和与所述输入接口相连的电容；所述整流电路适于将第一电压片所产生的交流电压经整流后在负载电阻的两端形成直流电压；以及

所述A/D转换芯片、微处理器以及显示器的电源接口与供电模块中的输出接口相连接。

8.一种自供电风速测量方法，其特征在于，采用如权利要求6或7任一项所述的自供电风速测量装置；包括：

步骤S1，在环音振动机构的环形谐振腔(102)中形成驻波共振；

步骤S2，压电换能机构(300)的第一压电片(303)和第二压电片(305)振动形成电压；

步骤S3，风速处理单元(400)的供电模块将第二压电片(305)形成的电压供风速处理模块使用；风速处理模块将第一压电片(303)形成的电压换算处理得到风速值。