CN114050738A - 一种自供能的定位与跟踪系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自供能的定位与跟踪系统，属新能源与船舶电子应用技术领域；转轴两端分别安装在壳体的前后壁上，摆臂的套筒套在转轴上，摆臂的臂板自由端装有调频块和自由端带动磁块的弯曲换能器，动磁块与定磁块相斥；壳体的前后壁左壁上均装有线圈，线圈与动磁块构成电磁换能器；盖板下侧、壳底壁上侧及臂板上下两侧都装有滑块，上弹簧两端分别经滑块固定在盖板和臂板上，下弹簧两端分别经滑块固定在臂板和壳底壁上；上下弹簧、摆臂及调频块构成调谐器，调谐器自身的固有频率经上下弹簧及调频块到转轴的距离调整；船舶颠簸震动时摆臂绕转轴转动并带动弯曲换能器产生往复弯曲变形，各换能器将机械能转换成电能并供给信号处理与发射单元。
Description
技术领域
本发明属于新能源与电子应用技术领域，具体涉及一种自供能的定位与跟踪系统，用于船舶的定位与跟踪。
背景技术
船舶定位与跟踪系统在民用船舶上已得到广泛应用，为船舶的航行安全、及时救援、以及失事搜寻等提供了有力的技术保障。然而，现有定位与跟踪系统都是基于发动机供电的，一旦船舶发生事故使发动机及整个电力系统失效、船舶失事进水以及船舶被不法分子劫持后认为切断电源，其定位系统也就自然而然地无法工作、失去了应有的功能。因此，为确保船舶定位系统安全可靠地工作，人们提出了多种形式基于振动发电的自供电定位跟踪系统，以期通过行船振动能量回收构造独立的自供电电源，从而可使定位跟踪系统得以隐秘地封装在安全部位。然而，现有的相关发电装置的系统固有频率都是固定且有效带宽窄，产品一旦出厂便不可调整，故无法满足不同吨位、不同水域及不同功能船舶的应用需求。
发明内容
一种自供能的定位与跟踪系统，主要包括壳体、盖板、转轴、摆臂、轴座、滑块、上弹簧、下弹簧、调频块、动磁块、弯曲换能器、线圈、定磁块及电路板，电路板上设有能量转换处理单元及定位跟踪的信号处理与发射单元。
壳体为长方形结构且上方设有端口，壳体由壳前壁、壳后壁、壳左壁、壳右壁和壳底壁构成，壳底壁上设有壳底导槽，壳底壁上安装有电路板和定磁块，定磁块安装在壳底壁的凸台上；设有盖板导槽的盖板安装在壳体的端口上；转轴两端经轴座分别安装在壳体的壳前壁和壳后壁上，轴座靠近壳体的壳左壁一侧，轴座的座板经螺钉安装在壳体的壳前壁或壳后壁上，转轴的端部置于轴座的座套内。
摆臂由套筒和臂板构成，套筒的轴线位于臂板厚度方向的对称中介面内，臂板的长度方向上设有臂板导槽；摆臂的套筒套在转轴上，臂板的自由端经螺钉安装有调频块和弯曲换能器，弯曲换能器的自由端经螺钉安装有动磁块，动磁块靠近壳体的壳右壁，动磁块位于定磁块的上方，动磁块与定磁块的同性磁极相对安装；壳体的壳前壁、壳后壁及壳左壁上均安装有线圈，线圈位于动磁块附近。
盖板的下侧、壳底壁的上侧及臂板的上下两侧都经螺钉安装有滑块，滑块置于盖板导槽、壳底导槽或臂板导槽内，滑块在各导槽内沿臂板长度方向的位置可调，调频块在臂板长度方向上的位置可调；上弹簧的上下两端分别经滑块固定在盖板和臂板上，下弹簧的上下两端分别经滑块固定在臂板和壳底壁上，上弹簧和下弹簧均与臂板垂直。
本发明中，上弹簧、下弹簧、摆臂及调频块构成调谐器，调谐器的功能是通过频率匹配将船舶的颠簸振动进行放大后再激励弯曲换能器，调谐器自身的固有频率经上弹簧、下弹簧、及调频块到转轴的距离调整，即
，其中：ζ为阻尼比，k1和k2分别为上弹簧和下弹簧的刚度，x、y、z分别为上弹簧、下弹簧和调频块到转轴的距离，m1、m2和m分别为摆臂、滑块和调频块的质量；滑块和摆臂均为轻质材料且滑块和摆臂的等效质量远远小于调频块的质量时，滑块和摆臂的质量忽略不计，调谐器的固有频率约为
。
本发明中，动磁块与线圈构成电磁换能器，各个线圈经不同的导线组及整流桥与电路板相连；弯曲换能器为单体压电换能器、组合压电换能器、摩擦换能器或压电-摩擦复合换能器，组合压电换能器、摩擦换能器及压电-摩擦复合换能器经端部夹持安装构成；单体压电换能器为双晶压电振子，双晶压电振子由金属基片与其两侧所粘接的压电片构成；组合压电换能器由金属片与其两侧夹持安装的单晶压电振子构成，摩擦换能器由金属片与其两侧夹持安装的摩擦振子构成，压电-摩擦换能器由金属片与其两侧夹持安装的复合振子构成；对于组合压电换能器、摩擦换能器及压电-摩擦复合换能器，动磁块经螺钉安装在金属片自由端。
单体压电换能器为双晶压电振子，双晶压电振子由金属基片与其两侧所粘接的压电片构成，双晶压电振子的两个压电片电学上并联；单体压电换能器经整流桥与电路板相连。
组合压电换能器由金属片与其两侧夹持安装的单晶压电振子构成，金属片与其两侧的单晶压电振子经螺钉安装在臂板的端部，单晶压电振子由金属基片与其一侧所粘接的压电片粘接而成，金属基片与金属片靠近安装；组合压电换能器中的两个单晶压电振子分别经整流桥与电路板相连。
摩擦换能器由金属片与其两侧夹持安装的摩擦振子构成，摩擦振子由金属基片与其一侧所粘接的摩擦片粘接而成，摩擦片与金属片靠近安装；摩擦片的材料为聚四氟乙烯或尼龙，金属片和金属基片的材料为铜；金属片与其两侧的摩擦振子分别构成摩擦副，两个摩擦副分别经不同的整流桥与电路板相连。
压电-摩擦换能器由金属片与其两侧夹持安装的复合振子构成，复合振子由金属基片与其两侧所分别粘接的摩擦片及压电片粘接而成，摩擦片与金属片靠近安装；摩擦片的材料为聚四氟乙烯或尼龙，金属片和金属基片的材料为铜；金属基片与压电片构成单晶压电振子，金属片与其两侧的复合振子分别构成摩擦副，单晶压电振子及两个摩擦副分别经整流桥与电路板相连。
非工作时臂板和弯曲换能器均处于水平状态，弯曲换能器处于自然的平直状态、无弯曲变形；工作时，即船舶颠簸震动时，摆臂在系统惯性力的作用下绕转轴转动并带动弯曲换能器产生往复弯曲变形，并通过压电效应、摩擦效应及电磁效应将机械能转换成电能；弯曲换能器弯曲变形过程中，因压电片应力变化而发电的过程为压电发电、因摩擦副间的接触-分离而发电的过程为摩擦发电、因线圈切割磁力线而发电的过程为电磁发电；压电发电、摩擦发电及电磁发电的各发电单元产生的电能不同的导线组及整流桥传输给电路板，电能经转换处理后供给信号处理与发射单元，信号发射单元将轮船位置信息发射出去。
除了用于水上交通工具定位跟踪外，本发明的定位跟踪装置还可用于陆路交通工具定位跟踪及单纯的环境振动能量回收。
优势与特色：无需更换部件，通过改变部件安装位置即可调节系统固有频率，调频方法简单易行；振动系统为两自由度系统，环境适应能力强、有效频带宽，尤其适于超低频、大振幅的随机颠簸；多种发电方法相结合，发供电能量强、可靠性高。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中跟踪系统的结构示意图；
图2本发明一个较佳实施例中摆臂的结构示意图；
图3是图2的俯视图；
图4是本发明一个较佳实施例中轴座的结构示意图；
图5是图4的俯视图；
图6是本发明一个较佳实施例中单体压电换能器的结构示意图；
图7是本发明一个较佳实施例中复合压电换能器的结构示意图；
图8是本发明一个较佳实施例中单体摩擦换能器的结构示意图；
图9是本发明一个较佳实施例中压电-摩擦复合换能器的结构示意图。
具体实施方式
一种自供能的定位与跟踪系统，主要包括壳体a、盖板k、转轴b、摆臂c、轴座d、滑块e、上弹簧f1、下弹簧f2、调频块g、动磁块h、弯曲换能器I、线圈j、定磁块n及电路板p，电路板p上设有能量转换处理单元及定位跟踪的信号处理与发射单元。
壳体a为长方形结构且上方设有端口，即壳体a由壳前壁、壳后壁、壳左壁、壳右壁和壳底壁构成，壳底壁上设有壳底导槽，壳底壁上经螺钉安装有电路板p和定磁块n，定磁块n安装在壳底壁的凸台上；设有盖板导槽的盖板k经螺钉安装在壳体a的端口上；转轴b两端经轴座d分别安装在壳体a的壳前壁和壳后壁上，轴座d靠近壳体a的壳左壁一侧，轴座d的座板d1经螺钉安装在壳体a的壳前壁或壳后壁上，转轴b的端部置于轴座d的座套d2内。
摆臂c由套筒c1和臂板c2构成，套筒c1的轴线位于臂板c2厚度方向的对称中介面内，臂板c2的长度方向上设有臂板导槽c3；摆臂c的套筒c1套在转轴b上，臂板c2的自由端经螺钉安装有调频块g和弯曲换能器I，弯曲换能器I的自由端经螺钉安装有动磁块h，动磁块h靠近壳体a的壳右壁，动磁块h位于定磁块n的上方，动磁块h与定磁块n的同性磁极相对安装；壳体a的壳前壁、壳后壁及壳左壁上均安装有线圈j，线圈j位于动磁块h附近。
盖板k的下侧、壳底壁的上侧及臂板c2的上下两侧都经螺钉安装有滑块e，滑块e置于盖板导槽、壳底导槽或臂板导槽c3内，滑块e在各导槽内沿臂板c2长度方向的位置可调，调频块g在臂板c2长度方向上的位置可调；上弹簧f1的上下两端分别经滑块e固定在盖板k和臂板c2上，下弹簧f2的上下两端分别经滑块e固定在臂板c2和壳底壁上，上弹簧f1和下弹簧f2均与臂板c2垂直。
本发明中，上弹簧f1、下弹簧f2、摆臂c及调频块g构成调谐器，调谐器的功能是通过频率匹配将船舶的颠簸振动进行放大后再激励弯曲换能器I，调谐器自身的固有频率经上弹簧f1、下弹簧f2、及调频块g到转轴b的距离调整，即
，其中：ζ为阻尼比，K1和K2分别为上弹簧f1和下弹簧f2的刚度，x、y、z分别为上弹簧f1、下弹簧f2和调频块g到转轴b的距离，m1、m2和m分别为摆臂c、滑块e和调频块g的质量；滑块e和摆臂c均为轻质材料且滑块e和摆臂c的质量远远小于调频块g的质量时，滑块e和摆臂c的质量忽略不计，调谐器的固有频率约为
。
本发明中，动磁块h与线圈j构成电磁换能器，各个线圈j经不同的导线组及整流桥与电路板p相连；弯曲换能器I为单体压电换能器、组合压电换能器、摩擦换能器或压电-摩擦复合换能器，组合压电换能器、摩擦换能器及压电-摩擦复合换能器经端部夹持安装构成；单体压电换能器I为双晶压电振子i，双晶压电振子i由金属基片i1与其两侧所粘接的压电片i2构成；组合压电换能器I由金属片i0与其两侧夹持安装的单晶压电振子i3构成，摩擦换能器I由金属片i0与其两侧夹持安装的摩擦振子i4构成，压电-摩擦换能器由金属片i0与其两侧夹持安装的复合振子i5构成；对于组合压电换能器、摩擦换能器及压电-摩擦复合换能器，动磁块h经螺钉安装在金属片i0自由端。
如图6所示，单体压电换能器I为双晶压电振子i，双晶压电振子i由金属基片i1与其两侧所粘接的压电片i2构成，双晶压电振子i的两个压电片i2电学上并联；单体压电换能器i经整流桥与电路板p相连。
如图7所示，组合压电换能器I由金属片i0与其两侧夹持安装的单晶压电振子i3构成，金属片i0与其两侧的单晶压电振子i3经螺钉安装在臂板c2的端部，单晶压电振子i3由金属基片i31与其一侧所粘接的压电片i32粘接而成，金属基片i31与金属片i0靠近安装；组合压电换能器中的两个单晶压电振子i3分别经整流桥与电路板p相连。
如图8所示，摩擦换能器I由金属片i0与其两侧夹持安装的摩擦振子i4构成，摩擦振子i4由金属基片i41与其一侧所粘接的摩擦片i43粘接而成，摩擦片i43与金属片i0靠近安装；摩擦片i43的材料为聚四氟乙烯或尼龙，金属片i0和金属基片i41的材料为铜；金属片i0与其两侧的摩擦振子i4分别构成摩擦副，两个摩擦副分别经不同的整流桥与电路板p相连。
如图9所示，压电-摩擦换能器I由金属片i0与其两侧夹持安装的复合振子i5构成，复合振子i5由金属基片i51与其两侧所分别粘接的摩擦片i53及压电片i52粘接而成，摩擦片i53与金属片i0靠近安装；摩擦片i53的材料为聚四氟乙烯或尼龙，金属片i0和金属基片i41的材料为铜；金属基片i51与压电片i52构成单晶压电振子，金属片i0与其两侧的复合振子i5分别构成摩擦副，单晶压电振子及两个摩擦副分别经整流桥与电路板p相连。
非工作状态下，臂板c2和弯曲换能器I均处于水平状态，弯曲换能器I处于自然的平直状态、无弯曲变形；工作时，即船舶颠簸震动时，摆臂c在系统惯性力的作用下绕转轴b转动并带动弯曲换能器产生往复弯曲变形，并通过压电效应、摩擦效应及电磁效应将机械能转换成电能；弯曲换能器I弯曲变形过程中，因压电片应力变化而发电的过程为压电发电、因摩擦副间接触-分离而发电的过程为摩擦发电、因线圈切割磁力线而发电的过程为电磁发电；压电发电、摩擦发电及电磁发电的各发电单元产生的电能不同的导线组及整流桥传输给电路板p，电能经转换处理后供给信号处理与发射单元，信号发射单元将轮船位置信息发射出去。
Claims (3)
1.一种自供能的定位与跟踪系统，主要包括壳体、盖板、转轴、摆臂、滑块、上弹簧、下弹簧、调频块、动磁块、弯曲换能器、线圈、定磁块及设有能量转换处理单元及定位跟踪的信号处理与发射单元的电路板，其特征在于：转轴两端分别安装在壳前壁和壳后壁上，摆臂由套筒和臂板构成，摆臂的套筒套在转轴上，臂板自由端装有调频块和弯曲换能器，弯曲换能器的自由端装有动磁块，动磁块位于壳底壁上的定磁块上方，动磁块与定磁块的同性磁极相对安装；壳体的壳前壁、壳后壁及壳左壁上均装有线圈，线圈与动磁块构成电磁换能器；盖板下侧、壳底壁上侧及臂板上下两侧都装有滑块，上弹簧的上下两端分别经滑块固定在盖板和臂板上，下弹簧的上下两端分别经滑块固定在臂板和壳底壁上，上弹簧和下弹簧均与臂板垂直；上弹簧、下弹簧、摆臂及调频块构成调谐器，调谐器自身的固有频率经上弹簧、下弹簧及调频块到转轴的距离调整；船舶颠簸震动时，摆臂在系统惯性力的作用下绕转轴转动并带动弯曲换能器产生往复弯曲变形，电磁换能器及弯曲换能器将机械能转换成电能并经转换处理后供给信号处理与发射单元，发射单元将船舶位置信息发射出去。
2.根据权利要求1所述的一种自供能的定位与跟踪系统，其特征在于：弯曲换能器为单体压电换能器、组合压电换能器、摩擦换能器或压电-摩擦复合换能器，组合压电换能器、摩擦换能器及压电-摩擦复合换能器经端部夹持安装构成。
3.根据权利要求1和权利要求2所述的一种自供能的定位与跟踪系统，其特征在于：非工作时弯曲换能器处于自然的平直状态、无弯曲变形。
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