CN109406632A - 可多方向自主发电的压电传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及可多方向自主发电的压电传感器，包括基核、压电陶瓷片、收集储电装置以及无线收发装置；基核为棱柱体或椎体；所述压电陶瓷片置于基核的外表面上；收集储电装置和无线收发装置置于基核的内部，无线收发装置与收集储电装置相连；压电陶瓷片与无线收发装置相连。本发明公开一种可多方向自主发电的压电传感器，可将振动转化成电能，检测三维全方位的振动发生于接收、节省成本、实现主动监测和被动监测。

Description

可多方向自主发电的压电传感器
技术领域
本发明属于传感器技术领域，涉及一种压电传感器，特别涉及一种可多方向自主发电的压电传感器。
背景技术
压电传感器是基于压电效应的传感器，是一种自发电式和压电转换式传感器，它的敏感元件由压电材料制成，压电材料受力后表面产生电荷，此电荷经电荷放大器和测量电路放大以及变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出；压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，具有频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等优点。
现有压电传感器一般由保护壳、压电陶瓷片、绝缘层、导线及屏蔽接头组成，将压电陶瓷片与屏蔽导线焊接为一体,用高强环氧树脂包裹压电陶瓷片形成绝缘、防水的保护层利用环氧树脂将压电陶瓷片与外部表面进行粗糙化处理的花岗岩保护壳粘接为一体，形成各种类型的压电传感器及智能骨料；但是现有的压电传感器存在以下缺陷：1、现有压电传感器多为圆柱体结构，只能监测一个方向的压电信号，实现单方向的测量，且在同一位置放置多个此种传感器，得到的监测压电信号在传输过程中还会相互影响；2、现有压电传感器结构一般是用导线连接外接电源，外部供电来工作，不仅耗费了大量的导线，工作中还受到外接电源的限制，容易引发触电危害；3、输入信号与输出信号的传输也是使用电源导线，不可避免的电源在输入过程中会对监测数据产生相互影响。
发明内容
为了解决背景技术中存在的技术缺陷，本发明公开一种可多方向自主发电的压电传感器，可检测三维全方位的振动发生与接收、节省成本、实现主动监测和被动监测。
本发明采用的技术方案为：
一种可多方向自主发电的压电传感器，其特征在于：所述可多方向自主发电的压电传感器包括基核、压电陶瓷片、收集储电装置以及无线收发装置；所述基核为棱柱体或椎体；所述压电陶瓷片置于基核的外表面上；所述收集储电装置和无线收发装置置于基核的内部，无线收发装置与收集储电装置相连；压电陶瓷片与无线收发装置相连。
进一步的，为了实现多个方向的自主发电，上述基核的表面数为M个；压电陶瓷片的个数为N个；所述M≥N，且N≥2个，此时N个压电陶瓷片可以实现不同方向上的信号收发。
优选地，上述基核为三角锥体，基核的锥面为四个；所述压电陶瓷片个数为四个，四个压电陶瓷片分别置于基核的四个外锥面上，此时可以实现三维全方位的振动发生与接收。
优选地，为了接收到全方位的振动信号，且振动互不影响，上述基核为正三角锥体。
进一步的，压电陶瓷片外部设置环氧树脂保护层。
进一步的，所述环氧树脂保护层的面积大于压电陶瓷片的面积，在压电陶瓷片外部形成绝缘、防水的保护层。
进一步的，可多方向自主发电的压电传感器还包括智能开关，所述无线收发装置通过智能开关与收集储电装置相连。
进一步的，可多方向自主发电的压电传感器还包括包裹在基核外部的混凝土保护层。
进一步的，所述混凝土保护层的形状与基核的形状相同，混凝土保护层的尺寸大于基核的尺寸，从而保护压电陶瓷片不受破坏。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明采用的基核为正三角锥体，基核四个锥面上设置的传感器也形成三角锥体，能接收多方向振动，实现三维全方位的振动发生与接收。
2.本发明在基核上设置的压电陶瓷片，内部放置无线收发装置和收集储电装置，可以将结构的振动能量转变为电能，不再需要外接电缆，节省成本的同时保护环境。
3.本发明在基核的内部放置无线收发装置，可将控制信号与监测得到的信号及时的传送，真正做到兼顾主动监测和被动监测。
4.本发明在基核的三角锥体四个表面粘贴相同的压电陶瓷片，形成内部应力平衡，每个压电陶瓷片的振动对其他表面影响几乎为零。
5.本发明在导线上设置智能开关，可实现触电与供电的合理控制。
附图说明
图1为本发明提供的可多方向自主发电的压电传感器结构示意图；
图2为本发明采用的基核1结构示意图；
图3为本发明提供的可多方向自主发电的压电传感器剖面图；
图4为本发明提供的可多方向自主发电的压电传感器工作结构示意图；
其中：
1—基核；2—压电陶瓷片；3—环氧树脂保护层；4—混凝土保护层；5—智能开关；6—收集储电装置；7—无线收发装置。
具体实施方式
现结合附图以及实施例对本发明的具体实施做详细的说明。
本发明提供的可多方向自主发电的压电传感器包括基核、压电陶瓷片、收集储电装置以及无线收发装置；基核为棱柱体或椎体，基核的表面数为M个；压电陶瓷片的个数为N个，N≥2个，M≥N；压电陶瓷片置于基核的外表面上；收集储电装置和无线收发装置置于基核的内部，且无线收发装置通过导线与收集储电装置相连，压电陶瓷片与无线收发装置相连。基核为正三角锥体，基核的锥面为四个，压电陶瓷片个数为四个，四个压电陶瓷片分别置于基核的四个外锥面上，此时可以实现三维全方位的振动发生与接收。压电陶瓷片外部设置环氧树脂保护层，环氧树脂保护层的尺寸大于压电陶瓷片的尺寸，在压电陶瓷片外部形成绝缘、防水的保护层。
本发明提供的可多方向自主发电的压电传感器还包括智能开关，无线收发装置通过智能开关与收集储电装置相连。
本发明提供的可多方向自主发电的压电传感器还包括包裹于基核外部的混凝土保护层，混凝土保护层的形状与基核的形状相同，混凝土保护层的尺寸大于基核的尺寸，从而保护压电陶瓷片不受破坏。
实施例1
参见图1，本发明提供的可多方向自主发电的压电传感器包括基核1以及包裹在外部的混凝土保护层4；参见图2，基核1为正三角锥体，四个型号、尺寸相同的压电陶瓷片2粘贴在三角锥的四个锥面上，压电陶瓷片2外部涂有环氧树脂保护层3，环氧树脂保护层3的面积大于压电陶瓷片2的面积，可将压电陶瓷片2的表面完全覆盖住，并与基核1形成一体，基核1为正三角锥体，四个表面同时贴有压电陶瓷片2，形成严格对称的空间结构，当压电传感器工作时，四个压电陶瓷片2发出同样的振动频率及振幅，又由于是对称的空间结构，在基核1的内部形成应力平衡，相当于每一个压电陶瓷片2只是向正三角锥体的外部发出振动，而不向其他方向发出振动，对其他方向的影响为零，同时基核1四个外表面贴有相同压电陶瓷片2，压电传感器2的结构也形成为三角锥体，储电工作效率会增大；在基核1的外部包裹有混凝土保护层4，混凝土保护层4的形状与基核1的形状相同，混凝土保护层4的尺寸大于基核1的尺寸，因此电压陶瓷片2被包裹在混凝土保护层4外部，用以保护压电陶瓷片3不受破坏；参见图3，基核1的内部有收集储电装置6以及无线收发装置7，收集储电装置6以及无线收发装置7通过导线连接，导线上设置有智能开关5，无线收发装置7与压电陶瓷片2相连。参见图4，压电陶瓷片2是双向响应元件，可以实现机械能与电能的相互转换，当无线收发装置7根据接收到的信号(电压)使压电陶瓷片按照一定的规律(如正弦曲线)发出连续振动，实现被动监测；而当外部载荷过大时，压电陶瓷片受压后产生过大电信号，此过大的电信号将被无线收发装置7捕捉同时将监测得到的信号及时向外传送，此为主动监测，无线收发装置7通过接收到的外部信号，利用单片机的I/O端口控制驱动装置，再由驱动装置控制智能开关5的位置以实现收集储电装置6储电与放电的模式；智能开关5在一般情况下处于储电模式，即智能开关5位于上电路位置，此时压电陶瓷片2由于结构的振动产生正压电效应，产生的信号(电压)经过无线收发装置7以及智能开关5上电路后被收集储电装置6接收后储存待用；当无线收发装置7接收到信号后，单片机做出相应处理，利用单片机的I/O端口控制驱动装置，智能开关5改变位置到下电路位置时储电装置处于放电模式，将压电陶瓷片2转化并存储到收集储电装置6的电能对整个传感器提供有效工作电流。
实施例2
以压电传感器在混凝土中的应用为例，将实施例1中的压电传感器随机放入待监测的混凝土结构中，当传感器外部加有载荷时，压电陶瓷片2受压后产生过大电信号，此过大的电信号将被无线收发装置7捕捉同时将监测得到的信号及时向外传送，可根据接收到的信号判断此信号传播路径的混凝土损伤情况。

Claims (9)

1.一种可多方向自主发电的压电传感器，其特征在于：所述可多方向自主发电的压电传感器包括基核(1)、压电陶瓷片(2)、收集储电装置(6)以及无线收发装置(7)；所述基核(1)为棱柱体或椎体；所述压电陶瓷片(2)置于基核(1)的外表面上；所述收集储电装置(6)和无线收发装置(7)置于基核(1)的内部，无线收发装置(7)与收集储电装置(6)相连；压电陶瓷片(2)与无线收发装置(7)相连。
2.根据权利要求1所述的可多方向自主发电的压电传感器，其特征在于：所述基核(1)的表面数为M个；所述压电陶瓷片的个数为N个；所述M≥N且N≥2个。
3.根据权利要求2所述的可多方向自主发电的压电传感器，其特征在于：所述基核(1)为三角锥体，基核(1)的锥面为四个；所述压电陶瓷片(2)分别置于基核(1)的四个外锥面上。
4.根据权利要求3所述的可多方向自主发电的压电传感器，其特征在于：所述基核(1)为正三角锥体。
5.根据权利要求3所述的可多方向自主发电的压电传感器，其特征在于：所述压电陶瓷片(2)外部设置环氧树脂保护层(3)。
6.根据权利要求5所述的可多方向自主发电的压电传感器，其特征在于：所述环氧树脂保护层(3)的面积大于压电陶瓷片(2)的面积。
7.根据权利要求1所述的可多方向自主发电的压电传感器，其特征在于：所述可多方向自主发电的压电传感器还包括智能开关(5)，所述无线收发装置(7)通过智能开关(5)与收集储电装置(6)相连。
8.根据权利要求1所述的可多方向自主发电的压电传感器，其特征在于：所述可多方向自主发电的压电传感器还包括包裹在基核(1)外部的混凝土保护层(4)。
9.根据权利要求8所述的可多方向自主发电的压电传感器，其特征在于：所述混凝土保护层(4)的形状与基核(1)的形状相同；混凝土保护层(4)的尺寸大于基核(1)的尺寸。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102410893A (zh) * 2011-08-08 2012-04-11 大连理工大学 一种埋入式混凝土结构动力损伤全过程空间应力传感器
CN103731065A (zh) * 2013-12-13 2014-04-16 东南大学 基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置
CN106168604A (zh) * 2016-08-04 2016-11-30 上海交通大学 一种混凝土板层间通缝的监测方法和装置
CN107769614A (zh) * 2017-11-02 2018-03-06 安徽理工大学 一种压电式多方向振动能量采集装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102410893A (zh) * 2011-08-08 2012-04-11 大连理工大学 一种埋入式混凝土结构动力损伤全过程空间应力传感器
CN103731065A (zh) * 2013-12-13 2014-04-16 东南大学 基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置
CN106168604A (zh) * 2016-08-04 2016-11-30 上海交通大学 一种混凝土板层间通缝的监测方法和装置
CN107769614A (zh) * 2017-11-02 2018-03-06 安徽理工大学 一种压电式多方向振动能量采集装置

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