CN110752774B - 一种用于河流监测系统的压电俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于河流监测系统的压电俘能器，属新能源技术领域。框架主梁两端设有副梁，副梁外侧都设有空腔；侧框的侧横梁和中框的中横梁安装在空腔内靠近副梁的侧壁上，由基板和压电片粘接而成的压电振子一端压接在侧横梁和中横梁之间、另一端装有副磁铁；侧横梁两端的侧耳板的一侧和中横梁两端中耳板的两侧都设有限形面，侧耳板间距与中耳板间距相等且比压电片宽、比基板窄；耦合器的钝体两端的侧耳经横板连接，横板上装有板簧，板簧另一端固定在主梁上；钝体两端的外侧都设有嵌有主磁铁侧臂，两个侧臂上对称安装主磁铁与钝体轴线形成相同的夹角，主副磁铁相吸；两个挡板安装在副梁上且其弧形板相互顶靠在一起，弧形板的凸面靠近钝体。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种用于河流监测系统的压电俘能器，用于构造自供电河流监测系统。
背景技术
我国境内遍布的河流达数千条之多。近年来，由于工业废污水处理力度不够、水土流失及农药和化肥等使用不当等原因，部分河流都存在一定程度的污染问题，无法满足居民生活及农田灌溉的需求。此外，因目前有些地区中小河流防洪设施不完善、缺少相关防洪设施，汛期来临之际存在溃堤或漫堤等危险，直接威胁了沿岸群众的生命和财产安全。因此，河流监测已受到国家相关部门的高度重视；同时，国内专家学者也相继提出了相应的监测方法和手段，包括针对河水污染的水质监测技术，针对防洪及泥石流等自然灾害的雨量、水位以及河道水流速等监测技术等多方面，以及为监测系统供电的各类微小型俘能器，但现有的微小型俘能器在可靠性及流速适应性等方面都存在一定的问题，严重地阻碍了其推广应用。
发明内容
本发明提出一种用于河流监测系统的压电俘能器，本发明采用的实施方案是：框架的主梁两端都设有副梁，副梁与主梁垂直且对称配置在主梁的两端，副梁外侧都设有空腔，空腔的侧壁端部经螺钉安装有端盖；两个侧框的侧横梁和至少一个中框的中横梁经螺钉安装在空腔内靠近副梁的侧壁上，压电振子的一端压接在侧横梁和中横梁之间、另一端安装有副磁铁，压电振子由基板和压电片粘接而成，基板和压电片的材料分别为黄铜和PZT4；侧横梁两端设有侧耳板，中横梁两端设有中耳板，侧耳板的一侧和中耳板的两侧都设有限形面，限形面为圆弧面，限形面和侧横梁及中横梁上与基板相接触的表面相切；同一侧框上两个侧耳板的间距与同一中框上两个中耳板的间距相等且比压电片宽、比基板窄，压电振子固定端的基板与限形面相切；耦合器的钝体两端都设有侧耳，钝体为空心圆柱壳体，两个侧耳经横板连接，横板上经螺钉和小压板安装有板簧，板簧的另一端经螺钉和大压板固定在主梁上；钝体两端的外侧都设有侧臂，侧臂、横板及钝体的轴线相互平行，侧臂上靠近侧耳的一侧镶嵌有主磁铁，主磁铁和压电振子的数量相等，两个侧臂上的主磁铁对称安装且都与钝体的轴线形成相同的夹角，主副磁铁正对安装且其之间为吸引力；挡板的弧形板两端都设有连接耳和豁口，同一挡板的两个连接耳经螺钉分别安装在两个副梁上，两个挡板的弧形板经钝体和横板之间的缝隙穿过后相互顶靠在一起，钝体的侧耳置于挡板的豁口内，弧形板的凸面靠近钝体安装。
非工作时，压电振子在主副磁铁作用下处于自然的平直状态、不发生弯曲变形，压电振子的平面与钝体的轴线垂直；工作中，水由钝体流向挡板和主梁，水流经钝体后产生卡门漩街，漩涡的交替生成与脱落会使钝体前后两侧的水流压力交替变化从而产生使耦合器往复摆动的激振力，耦合器摆动时主副磁铁的位置关系及作用力的大小和方向发生变化，迫使压电振子沿钝体的轴向往复弯曲变形，且同一时刻钝体两侧压电振子的变形方向相反，压电振子往复弯曲变形过程中即将流体动能转换成了电能；水流经过钝体后受到挡板的阻碍时流向及漩涡形态及动态特性均发生变化，从而使激振力的幅值发生变化，振动幅值增大或减小；钝体摆动幅值达到一定值时，主磁铁将通过副磁铁迫使压电振子的基板贴合在限形面上，此时压电片长度方向上各点的压应力相等且小于其许用值，此后压电振子的变形量不随钝体振幅的增加而进一步增大，故具有较大的发电能力和较高的可靠性。
本发明中，两个挡板安装后其弧形板总宽度与钝体直径之比即宽径比为1～3，钝体外表面与弧形板凸面的最小间距与钝体直径之比即间径比为0～3；工作中，可通过调节挡板的安装位置调节弧形板到钝体外表面间的距离，从而改变间径比，实现钝体振幅的有效控制，即使振幅增加或减小。
本发明中，基板和压电片厚度相等，限形面的半径为
不使用限形面时压电振子自由端的许用变形量为
其中：l为压电振子的悬臂长度，h为压电振子总厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为基板和压电片材料的弹性模量，Tp和k31分别为压电片材料的许用应力和机电耦合系数。
优势与特色：①通过钝体两侧侧臂上对称配置的倾斜主磁铁激励与被主磁铁间的吸引力激励压电振子沿钝体的轴向弯曲变形，可同时激励多组压电振子、响应速度快且激振力大及力的作用距离易于通过主磁铁的长度及安装角度调节；②钝体后方设置的挡板可有效调节钝体的耦合振动响应特性，易于通过调节二者间距、尺度等参数获得所需的钝体振动放大比，流速适应性及发电能力；③压电振子不与水流接触、仅受可控的单向弯曲变形故应力分布均匀，故发电能力强、可靠性高。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中俘能器的结构示意图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是图1的B-B剖视图；
图4是本发明一个较佳实施例中框架的结构示意图；
图5是图4的C-C剖视图；
图6是本发明一个较佳实施例中主磁铁与耦合器装配后的结构示意图；
图7是图6的左视图；
图8是本发明一个较佳实施例中侧框的结构示意图；
图9是本发明一个较佳实施例中中框的结构示意图；
图10是本发明一个较佳实施例中挡板结构示意图；
图11是图10右视图。
具体实施方式
框架a的主梁a1两端都设有副梁a2，副梁a2与主梁a1垂直且对称配置在主梁a1的两端，副梁a2的外侧都设有空腔a3，空腔a3的侧壁端部经螺钉安装有端盖n；两个侧框g的侧横梁g1和至少一个中框h的中横梁h1经螺钉安装在空腔a3内靠近副梁a2的侧壁上，压电振子i的一端压接在侧横梁g1和中横梁h1之间构成悬臂梁结构，压电振子i由基板i1与其两侧所粘接的压电片i2构成，基板i1和压电片i2的材料分别为黄铜和PZT4，压电振子i的自由端经螺钉安装有副磁铁j；侧横梁g1和中横梁h1两端分别设有侧耳板g2和中耳板h2，侧耳板g2的一侧和中耳板h2的两侧都设有限形面m，限形面m为圆弧面，限形面m和侧横梁g1及中横梁h1上与压电振子i相接触的表面相切；同一侧框g上两个侧耳板g2的间距与同一中框h上两个中耳板h2的间距相等且比压电片i2宽、比基板i1窄，压电振子i固定端的基板i1与限形面m相切；耦合器e的钝体e1两端都设有侧耳e2，钝体e1为空心圆柱壳体，两个侧耳e2经横板e3连接，横板e3上经螺钉和小压板d安装有板簧c，板簧c的另一端经螺钉和大压板b固定在主梁a1上；钝体e1两端的外侧都设有侧臂e4，侧臂e4、横板e3及钝体e1的轴线相互平行，侧臂e4上靠近侧耳e2的一侧镶嵌有主磁铁k，主磁铁k的数量与压电振子i的数量相等，两个侧臂e4上的主磁铁k对称安装且都与钝体e1的轴线形成相同的夹角Q，主磁铁k与副磁铁j之间为吸引力；挡板f的弧形板f1两端都设有连接耳f2和豁口f3，挡板f的两个连接耳f2经螺钉分别安装在两个副梁a2上，两个挡板f的弧形板f1经钝体e1和横板e3之间的缝隙穿过后相互顶靠在一起，钝体e的侧耳e2置于挡板f的豁口f3内，弧形板f1的凸面靠近钝体e1安装。
非工作时，压电振子i在主磁铁k和副磁铁j的作用下处于自然的平直状态、不发生弯曲变形，压电振子i的平面与钝体e1的轴线垂直；工作中，水由钝体e1流向挡板f和主梁a1，水流经钝体e1后产生卡门漩街，漩涡的交替生成与脱落会使钝体e1前后两侧的水流压力交替变化从而产生使耦合器e往复摆动的激振力，耦合器e摆动时主磁铁k与副磁铁j的位置关系及作用力的大小和方向发生变化，迫使压电振子i沿钝体e1的轴向往复弯曲变形，且同一时刻钝体e1两侧压电振子i的变形方向相反，压电振子i的往复弯曲变形过程中即将流体动能转换成了电能；水流经过钝体e1后受到挡板f的阻碍时流向及漩涡形态及动态特性均发生变化，从而使激振力的幅值发生变化，振动幅值增大或减小；钝体e1摆动幅值达到一定值时，主磁铁k将通过副磁铁j迫使压电振子i的基板i1压靠在限形面m上，此时压电片i2长度方向上各点的压应力相等且小于其许用值，此后压电振子i的变形量不随钝体e1振幅的增加而进一步增大，故具有较大的发电能力和较高的可靠性。
本发明中，两个挡板f安装后其弧形板f1总宽度H与钝体e1的直径D之比即宽径比为H/D＝1～3，钝体e1的外表面与弧形板f1凸面的最小间距L与钝体e1的直径D之比即间径比为L/D＝0～3，工作中，可通过调节挡板f的安装位置调节弧形板f1到钝体e1外表面间的距离L，从而改变间径比，实现钝体e1的振幅的有效控制，即使振幅增加或减小。
本发明中，基板i1和压电片i2厚度相等，限形面m的半径为
不使用限形面时压电振子i自由端的许用变形量为
其中：l为压电振子i的悬臂长度，h为压电振子i的总厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为基板i1和压电片i2材料的弹性模量，Tp和k31分别为压电片i2材料的许用应力和机电耦合系数。
Claims (1)
1.一种用于河流监测系统的压电俘能器，其特征在于：框架的主梁两端都设有副梁，副梁外侧都设有空腔，空腔的侧壁端部装有端盖；两个侧框的侧横梁和至少一个中框的中横梁安装在空腔内靠近副梁的侧壁上，压电振子的一端压接在侧横梁和中横梁之间、另一端安装有副磁铁，压电振子由基板和压电片粘接而成；侧横梁两端设有侧耳板，中横梁两端设有中耳板，侧耳板的一侧和中耳板的两侧都设有限形面，限形面为圆弧面，限形面和侧横梁及中横梁上与基板相接触的表面相切；同一侧框上两个侧耳板的间距与同一中框上两个中耳板的间距相等且比压电片宽、比基板窄；耦合器的钝体两端都设有侧耳，两个侧耳经横板连接，横板上装有板簧，板簧的另一端固定在主梁上；钝体两端的外侧都设有侧臂，侧臂上靠近侧耳的一侧嵌有主磁铁，主磁铁和压电振子的数量相等，两个侧臂上的主磁铁对称安装且都与钝体轴线形成相同的夹角，主副磁铁相吸；挡板的弧形板两端都设有连接耳和豁口，同一挡板的两个连接耳分别装在两个副梁上，两个挡板的弧形板经钝体和横板之间的缝隙穿过后相互顶靠在一起，钝体的侧耳置于挡板的豁口内，弧形板的凸面靠近钝体安装；非工作时，压电振子为平直状态且与钝体的轴线垂直；两个挡板安装后其弧形板总宽度与钝体直径之比为1～3，钝体外表面与弧形板凸面的最小间距与钝体直径之比为0～3；工作时，主磁铁将通过副磁铁迫使压电振子的基板贴合在限形面上，此时压电片长度方向上各点的压应力相等且小于其许用值。
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