CN114050737A - 一种自供电的桥梁监测装置 - Google Patents
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Abstract
一种自供电的桥梁监测装置，属新能源及监测技术领域；机盖装在机壳壁端部，机壳底和机盖上分别均布有下导向孔和上导向孔；耦合器经球头销挂在机壳底上，球头销的销杆装在机壳底上，耦合器装在球头销的销头上；多组换能器装在机壳底上，轴向相邻两组换能器间设有隔环，各组换能器数量相等且均沿圆周方向均布；换能器由主振子与其上下两侧的副振子组装而成；推杆的上下两端分别置于上导向孔和下导向孔中，主振子自由端置于推杆的拨槽中；推杆的上端将弹簧压接机盖上、下端顶靠在耦合器上；耦合器受风作用产生往复摆动并经推杆迫使主振子和副振子弯曲变形及交替的接触与分离，进而将机械能转换成电能，电能经转换处理后供给传感器和信息发送系统。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种自供电的桥梁监测装置，为桥梁监测系统提供动能。
背景技术
桥梁已成为目前公路及铁路网络的重要组成部分。为确保汽车及火车能够正常安全通行、实现桥梁环境及周围环境的实时监测，桥梁上需要安装各类仪器设备，因此桥梁上也要有相应的供电设施。目前普遍采用电缆供电，电缆的铺设及后续维护的难度较大、成本较高，最关键的是当电力供应系统出现故障时桥梁监测系统将无法正常运转。因此，人们研制开发出了多种形式的自供电桥梁健康监测系统，如中国专利CN201621214347.7、CN201610347832.X、CN201721663089.5、CN201810785666.0、CN202110594357.7等，发电装置主要为太阳能自供电装置和基于压电效应的风力自供电装置等。然后，现有的发电装置在实际应用中都存在一定的局限性：太阳能发电装置受天气影响较大，连续的阴雨天气将导致监测系统因能量供应中断而失效；压电风力自供电装置的对时变风速及风向的适应能力还很有限，难以实现多方向风能的有效回收利用，风速低时发电装置不能被有效激励、风速过高时易因振幅过大损坏。
发明内容
一种自供电的桥梁监测装置，主要包括机壳、机盖、推杆、耦合器、球头销、换能器、弹簧、电路板、传感器一和传感器二。
机壳由机壳壁和机壳底构成，机壳底上设有环台、螺纹孔和一组下导向孔，环台位于机壳壁和机壳底的交界处设有，下导向孔为通孔且均布在以机壳底的中心为圆心的圆周上，螺纹孔位于机壳底的中心处。
桶状的耦合器经球头销挂在机壳底上，球头销由销头和销杆构成，销杆经其端部的螺纹安装在机壳底上，耦合器的桶顶上的销头腔套在销头上并可绕销头摆动；耦合器由吊桶、惯性块、螺杆和套筒构成，吊桶由吊桶壁和吊桶顶构成，吊桶顶即为耦合器的桶顶，吊桶顶上设有销头腔，吊桶顶与其上所安装的压板共同形成销头腔，销头腔为非全封面的腔体，销头腔的端口位于压板上，吊桶顶上的销头腔套在球头销的销头上；套筒经螺钉安装在吊桶壁上，吊桶壁与套筒构成长度可调的绕流体以适应不同的风速；惯性块经螺杆安装在吊桶顶的下方，惯性块及套筒沿吊桶轴向位置可调。
换能器由主振子和副振子构成，多组换能器经螺钉和压环安装在机壳底的环台上，沿机壳壁轴向相邻的两组换能器之间设有隔环，各组换能器数量相等且均沿圆周方向均布；换能器为扇形悬臂梁结构，换能器由主振子与其上下两侧的副振子组装而成，主振子和副振子的一端沿厚度方向粘接或压接在在一起，主振子的悬臂部分比副振子的悬臂部分长；换能器由不同结构的主振子和副振子构成：
主振子由主电极片与其两侧所粘接的驻极体片构成，副振子由副电极片与其一侧所粘接的压电片构成，副电极片与驻极体片靠近安装；
主振子为单独的主电极片，副振子由副电极片与其两侧分别粘接的驻极体片和压电片构成，驻极体片与主电极片靠近安装。
机盖上设有一组上导向孔，上导向孔位于机盖中心处的凸台上，上导向孔为均布在以机盖中心为圆心的圆周上的盲孔；上导向孔和下导向孔的数量、半径及所在圆周半径分别相等。
机盖经螺钉安装在机壳壁端部，机盖安装有电路板，电路板上设有能量转换存储电路及无线信息发送系统；机盖和机壳分别安装有传感器一和传感器二，传感器一和传感器二为振动、温度或湿度传感器。
推杆的上下两端分别置于上导向孔和下导向孔中，推杆的长度方向上均布有拨槽，拨槽为梯形槽，主振子的自由端置于推杆的拨槽中；推杆的上端将弹簧压接机盖上，推杆的上端将弹簧压接在上导向孔内，弹簧为碟形簧；推杆的下端顶靠在耦合器的桶顶上，推杆的下端面为球面。
本发明中，副振子的副电极片与压电片构成压电发电单元，主电极片、副电极片及粘接在主电极片或副电极片上的驻极体片构成摩擦发电单元，主电极片和副电极片为摩擦发电单元的两个电极；主电极片的材料为铝、铜或铍青铜，副电极片的材料为铍青铜；一个摩擦发电单元中，驻极体片材料与主电极片和副电极片材料的摩擦电序列较远，如驻极体片材料为聚四氟乙烯等。
本发明中，机盖安装在桥体的通风处；非工作时，耦合器处于自然的悬垂状态，换能器不受外力作用、无弯曲变形，主振子与其两侧的副振子均处于平直的自然状态，主振子与其两侧的副振子的相邻表面完全相互贴合。
工作中，即环境中有风吹过耦合器时，耦合器受风的作用将产生与来风方向垂直的往复摆动，往复摆动的耦合器迫使某些推杆上下往复运动：耦合器摆动方向所在平面中的一个推杆向上运动、另一个推杆向下运动；上下往复运动的推杆带动换能器的主振子自由端上下往复运动，主振子再迫使副振子往复弯曲变形；同时，主振子与副振子间还产生交替的接触与分离；副振子往复弯曲变形过程中压电发电单元发电，主振子与副振子间交替的接触与分离过程中摩擦发电单元发电；两个发电单元所产生的电能分别经独立的导线组和整流器传输到电路板，电能经进一步转换处理后供给传感器一、传感器二及信息处理与发射系统，传感器一和传感器二所获得的环境信息经电路板上的发射系统发射出去。
上述工作中，耦合器往复摆动并经推杆迫使换能器弯曲变形时，副振子仅承受使压电片承受压应力的单向激励，耦合器摆动并经推杆将弹簧压死时，副振子中压电片上的最大压应力小于其许用值。
上述工作表明，耦合器的功能是通过与风的耦合作用实现运动转换及能量传递，将风的流动转换成耦合器的往复摆动、推杆的上下往复运动及换能器往复弯曲运动；实际应用中，应根据环境风速调整耦合器长度：风速较低时，使套筒向吊桶壁的下端移动、增加耦合器的长度，以便降低耦合器的起振风速、实现低风速启动：风速较高时，使套筒向吊桶壁的上端移动、减小耦合器长度，以便减小耦合器所承受的风力、避免器件损坏。
根据图1所示的监测装置工作原理，耦合器、换能器、球头销、推杆及弹簧构成一个振动系统，为提高压电发电单元和摩擦发电单元的发电能力，应尽可能使振动系统的固有频率与风的激励频率相近；其它系统参数确定后，本发明还通过弹簧的刚度、惯性块的质量及惯性块的安装位置调整获得所需的振动系统固有频率，即
，式中：ζ为阻尼比，K为所有弹簧的等效刚度，r为推杆与球头销的中心距， M和R分别为惯性块的质量和惯性块的质心到销头中心的水平距离，λ和η为与其它系统参数相关的常数，λ和η通过试验测得。
优势与特色：通过收集风能实现自供电和免维护；可收集实时变化的多方向风能，换能器元件变形量及运动范围可控，可靠性高；系统结构及动力学参数通过耦合器部件参数及安装位置调整，调频方法简单、风速适应范围广。
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示意图；
图2是图1的A-A视图；
图3是是本发明一个较佳实施例中机壳的结构示意图；
图4是图3的俯视图；
图5是是本发明一个较佳实施例中机盖的结构示意图；
图6是图5的仰视图；
图7是本发明一个较佳实施例中主振子为复合层的换能器爆炸图；
图8是本发明一个较佳实施例中主振子为独立层的换能器爆炸图；
图9是本发明一个较佳实施例中球头销的结构示意图；
图10是本发明一个较佳实施例中推杆的结构示意图；
图11是本发明一个较佳实施例中吊桶的结构示意图。
具体实施方式
一种自供电的桥梁监测装置，主要包括机壳a、机盖b、推杆c、耦合器C、球头销g、换能器E、弹簧k、电路板p、传感器一s和传感器二t。
机壳a由机壳壁a1和机壳底a2构成，机壳底a2上设有环台a3、螺纹孔a5和一组下导向孔a4，环台a3位于机壳壁a1和机壳底a2的交界处设有，下导向孔a4为通孔且均布在以机壳底a2的中心为圆心的圆周上，螺纹孔a5位于机壳底a2的中心处。
桶状的耦合器C经球头销g挂在机壳底a2上，球头销g由销头g1和销杆g2构成，销杆g2经其端部的螺纹安装在机壳底a2上，耦合器C的桶顶上的销头腔套在销头g1上并可绕销头g1摆动；耦合器C由吊桶d、惯性块m、螺杆e和套筒f构成，吊桶d由吊桶壁d1和吊桶顶d2构成，吊桶顶d2即为耦合器C的桶顶，吊桶顶d2上设有销头腔d4，吊桶顶d2与其上所安装的压板d3共同形成销头腔d4，销头腔d4为非全封面的腔体，销头腔d4的端口位于压板d3上，吊桶顶d2上的销头腔d4套在球头销g的销头g1上；套筒f经螺钉安装在吊桶壁d1上，吊桶壁d1与套筒f构成长度可调的绕流体以适应不同的风速；惯性块m经螺杆e安装在吊桶顶d2的下方，惯性块m及套筒f沿吊桶壁d1轴向位置可调。
换能器E由主振子h和副振子i构成，多组换能器E经螺钉和压环安装在机壳底a2的环台a3上，沿机壳壁a1轴向相邻的两组换能器E之间设有隔环j，各组换能器E数量相等且均沿圆周方向均布；换能器E为扇形悬臂梁结构，换能器E由主振子h与其上下两侧的副振子i组装而成，主振子h和副振子i的一端沿厚度方向粘接或压接在在一起，主振子h的悬臂部分比副振子i的悬臂部分长；换能器E由不同结构的主振子h和副振子i构成：
主振子h由主电极片h1与其两侧所粘接的驻极体片h2构成，副振子i由副电极片i1与其一侧所粘接的压电片i2构成，副电极片i1与驻极体片h2靠近安装；
主振子h为单独的主电极片h1，副振子i由副电极片i1与其两侧分别粘接的驻极体片h2和压电片i2构成，驻极体片h2与主电极片h1靠近安装。
机盖b上设有一组上导向孔b3，上导向孔b3位于机盖b中心处的凸台b2上，上导向孔b3为均布在以机盖b中心为圆心的圆周上的盲孔；上导向孔b3和下导向孔a4的数量、半径及所在圆周半径分别相等。
机盖b经螺钉安装在机壳壁a1端部，机盖b安装有电路板p，电路板p上设有能量转换存储电路及无线信息发送系统；机盖b和机壳a分别安装有传感器一s和传感器二t，传感器一s和传感器二t为振动、温度或湿度传感器。
推杆c的上下两端分别置于上导向孔b3和下导向孔a4中，推杆c的长度方向上均布有拨槽c1，拨槽c1为梯形槽，主振子h的自由端置于推杆c的拨槽c1中；推杆c的上端将弹簧k压接机盖b上，推杆c的上端将弹簧k压接在上导向孔b3内，弹簧k为碟形簧；推杆c的下端顶靠在耦合器C的桶顶上，推杆c的下端面为球面。
本发明中，副振子i的副电极片i1与压电片i2构成压电发电单元，主电极片h1、副电极片i1及粘接在主电极片h1或副电极片i1上的驻极体片h2构成摩擦发电单元，主电极片h1和副电极片i1为摩擦发电单元的两个电极；主电极片h1的材料为铝、铜或铍青铜，副电极片i1的材料为铍青铜；一个摩擦发电单元中，驻极体片h2材料与主电极片h1和副电极片i1材料的摩擦电序列较远，如驻极体片h2材料为聚四氟乙烯等。
本发明中，机盖b安装在桥体的通风处；非工作时，耦合器C处于自然的悬垂状态，换能器E不受外力作用、无弯曲变形，主振子h与其两侧的副振子i均处于平直的自然状态，主振子h与其两侧的副振子i的相邻表面完全相互贴合。
工作中，即环境中有风吹过耦合器C时，耦合器C受风的作用将产生与来风方向垂直的往复摆动，往复摆动的耦合器C迫使某些推杆c上下往复运动：耦合器C摆动方向所在平面中的一个推杆c向上运动、另一个推杆c向下运动；上下往复运动的推杆c带动换能器E的主振子h自由端上下往复运动，主振子h再迫使副振子i往复弯曲变形；同时，主振子h与副振子间还产生交替的接触与分离；副振子i往复弯曲变形过程中压电发电单元发电，主振子h与副振子间交替的接触与分离过程中摩擦发电单元发电；两个发电单元所产生的电能分别经独立的导线组和整流器传输到电路板p，电能经进一步转换处理后供给传感器一s、传感器二t及信息处理与发射系统，传感器一s和传感器二t所获得的环境信息经电路板p上的发射系统发射出去。
上述工作中，耦合器C往复摆动并经推杆c迫使换能器E弯曲变形时，副振子i仅承受使压电片i2承受压应力的单向激励，耦合器C摆动并经推杆c将弹簧k压死时，副振子i中压电片i2上的最大压应力小于其许用值。
上述工作表明，耦合器C的功能是通过与风的耦合作用实现运动转换及能量传递，将风的流动转换成耦合器C的往复摆动、推杆c的上下往复运动及换能器往复弯曲运动；实际应用中，应根据环境风速调整耦合器C长度：风速较低时，使套筒f向吊桶壁d1的下端移动、增加耦合器C的长度，以便降低耦合器C的起振风速、实现低风速启动：风速较高时，使套筒f向吊桶壁d1的上端移动、减小耦合器长度，以便减小耦合器C所承受的风力、避免器件损坏。
根据图1所示的监测装置工作原理，耦合器C、换能器E、球头销g、推杆c及弹簧k构成一个振动系统，为提高压电发电单元和摩擦发电单元的发电能力，应尽可能使振动系统的固有频率与风的激励频率相近；其它系统参数确定后，本发明还通过弹簧k的刚度、惯性块m的质量及惯性块m的安装位置调整获得所需的振动系统固有频率，即
，式中：ζ为阻尼比，K为所有弹簧k的等效刚度，r为推杆c与球头销g的中心距， M和R分别为惯性块m的质量和惯性块m的质心到销头g1中心的水平距离，λ和η为与其它系统参数相关的常数，λ和η通过试验测得。
Claims (5)
1.一种自供电的桥梁监测装置，包括机壳、机盖、推杆、耦合器、球头销、换能器、弹簧、传感器及电路板，其特征在于：机盖安装在机壳壁端部，机壳底和机盖上分别均布有下导向孔和上导向孔；桶状的耦合器经球头销挂在机壳底上，球头销的销杆装在机壳底上，耦合器装在球头销的销头上；耦合器由吊桶、惯性块、螺杆和套筒构成，吊桶顶上的销头腔套在球头销的销头上；套筒装在吊桶壁上，惯性块装在吊桶顶的下方，惯性块及套筒沿吊桶轴向位置可调；多组换能器装在机壳底上，轴向相邻两组换能器间设有隔环，各组换能器数量相等且均沿圆周方向均布；换能器由主振子与其上下两侧的副振子组装而成；推杆上下两端分别置于上导向孔和下导向孔中，主振子自由端置于推杆的拨槽中；推杆的上端将弹簧压接机盖上、下端顶靠在耦合器上；耦合器受风作用产生往复摆动并经推杆迫使主振子和副振子弯曲变形，且主振子和副振子交替地接触与分离，进而将机械能转换成电能，电能经转换处理后供给传感器和信息发送系统。
2.根据权利要求1所述的一种自供电的桥梁监测装置，其特征在于：主振子由主电极片与其两侧所粘接的驻极体片构成，副振子由副电极片与其一侧所粘接的压电片构成，副电极片与驻极体片靠近安装。
3.根据权利要求1所述的一种自供电的桥梁监测装置，其特征在于：主振子为单独的主电极片，副振子由副电极片与其两侧分别粘接的驻极体片和压电片构成，驻极体片与主电极片靠近安装。
4.根据权利要求1所述的一种自供电的桥梁监测装置，其特征在于：根据环境风速调整耦合器长度：风速较低时增加耦合器的长度，降低耦合器的起振风速：风速较高时减小耦合器长度，减小耦合器所受风力。
5.根据权利要求1所述的一种自供电的桥梁监测装置，其特征在于：通过弹簧刚度、惯性块质量及惯性块安装位置调整获得所需的振动系统固有频率。
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-
2021
- 2021-11-26 CN CN202111416767.9A patent/CN114050737B/zh active Active
Patent Citations (6)
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