CN114050740B - 一种基于风能和振动能收集的监测系统 - Google Patents

一种基于风能和振动能收集的监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于风能和振动能收集的监测系统，属新能源与监测领域，上下壳侧壁相连并经垫环和垫片压接有压电换能器，垫环两侧各设有一组换能器，上下相邻的发电单元间设有垫片；球头与其两侧设置的长短轴构成扭摆器，球头装在上壳顶壁的球腔内，长轴上装有调频块和设有飘带的钝体，短轴端部装有由摆盘体和摆盘凸环构成摆盘；摆盘体上表面顶靠在由外环簧片和内环簧片构成碟片簧上；外环簧片装在上壳顶壁上，内环簧片顶在摆盘体上；下壳底壁上装有电路板和导向柱，由筒壁和筒顶板构成的振动筒装在导向柱上且二者间压有伸缩簧，筒顶板上均布有压力传感器；传感器与摆盘凸环相接触；筒壁外缘上装有一组阶梯环，大环板自由端置于两组换能器之间。

Description

一种基于风能和振动能收集的监测系统
技术领域
本发明属新能源与监测技术领域，具体涉及一种基于风能和振动能收集的监测系统，通过收集风能或振动能构造自供电的船载风向监测、船舶颠簸幅度与方向监测及船舶定位跟踪系统。
背景技术
为确保船舶航行安全，船员必须实时关注相关水域的自然环境及其变化情况，如风向、风速、波浪等。因此，人们逐渐开发出了各种类型的船载监测系统并逐步获得实际应用。此外，为实现船舶的航行安全、及时救援、以及失事快速搜寻等目的，船舶定位与跟踪系统也已经在在民用船舶上已得到广泛应用。然而，现有船载监测与定位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，其相关监测与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船舶摇摆振动发电的自供电系统，以期通过行船振动能量回收构造独立的自供电电源、实现真正意义上的能量自给及免维护，从而可使环境监测与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功能单一、发电单元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，故无法满足不同用途、不同吨位、不同水域及不同功能船舶的应用需求。
发明内容
本发明提出一种基于风能和振动能收集的监测系统，本发明采用的实施方案是：一种基于风能和振动能收集的监测系统，主要包括上壳、下壳、扭摆器、摆盘、传感器、碟片簧、伸缩簧、阶梯环、换能器、钝体、飘带、压板、电路板、振动筒、导向柱、调频块。
上壳和下壳的侧壁端部相连构成壳体，上壳侧壁和下壳侧壁端部经螺钉相连，上壳侧壁端部和下壳侧壁上的环台之间经垫环和垫片压接有换能器，垫环上下两侧各设有一组换能器，换能器为由压电片和基片粘接而成的扇形悬臂梁结构，每组中的换能器都沿圆周方向均布且其基片的固定端相互连接；垫环与其上下两侧的换能器构成一个发电单元，同一发电单元中垫环上下两侧换能器的基片相对安装，即基片的平面朝向发电单元的内侧、压电片朝向发电单元的外侧；上下相邻两个发电单元间设有垫片。
扭摆器的球头上下两侧分别设有长轴和短轴，长轴和短轴同轴且其轴线经过球头的球心；扭摆器的球头经压板安装在上壳顶壁中心处的球腔内，压板经螺钉安装在上壳顶壁上并与上壳顶壁共同形成球腔；扭摆器的长轴和短轴分别位于上壳顶壁的上下两侧，长轴上经调频块和螺钉安装钝体，钝体为柱状壳体，钝体可绕长轴转动，钝体上设有飘带，飘带的一端沿钝体的母线固定；短轴的端部安装有摆盘，摆盘由摆盘体和摆盘凸环构成，摆盘凸环的顶面为圆弧面，摆盘体与短轴经螺纹连接；摆盘体的上表面顶靠在碟片簧上，碟片簧由外环簧片和内环簧片构成，内环簧片的端部设有悬臂片；外环簧片经螺钉安装在上壳顶壁的下表面，内环簧片端部的悬臂片顶靠在摆盘体的上表面。
下壳的下壳底壁上经螺钉安装有电路板和导向柱，导向柱的底部经螺钉或螺纹安装在下壳底壁上；由筒壁和筒顶板构成的振动筒安装在导向柱上并将伸缩簧压接在导向柱的端部，筒壁套在导向柱上，振动筒沿导向柱上下运动，筒顶板上表面上沿圆周方向均布有传感器，传感器为圆形的压力传感器，传感器由压电片或压电柱与其两侧的电极片粘接而成，传感器沿圆周方向紧密排列，即各相邻传感器的外缘间无间隙； 传感器上表面与摆盘凸环的底面顶靠在一起；筒壁的外缘上经螺钉安装有一组阶梯环，上下两相邻阶梯环的大环板和小环板靠近安装，即阶梯环的大环板和另一个阶梯环小环板靠近安装，大环板的自由端置于同一发电单元的两组换能器之间，非工作时，大环板上下表面与换能器的基片相接触但无相互作用力，换能器无弯曲变形、处于平直的自然状态。
本发明中，自供电监测系统通过回收行船时的风能或船舶摇摆动能实现能量自给。
1）自供电监测系统通过收集风能发电时，自供电监测系统置于船体外，飘带受风力作用将迫使钝体转动并摆动，从而实现风力发电及风向的自动测量，具体过程如下：有风吹过时，飘带与风的耦合作用将迫使钝体转动并使飘带处于钝体的下游，钝体和飘带在风力作用下带动扭摆器和摆盘发生顺风倾斜，顺风倾斜是指扭摆器和摆盘沿飘带所在的平面倾斜，摆盘凸环的顶面顶靠在其倾斜方向的传感器上，传感器受外力作用产生电信号并带动振动筒向下运动；钝体、扭摆器和摆盘顺风倾斜的同时，扭摆器还具有两种不同的工作模式。
钝体直径较小、仅作为飘带的固定装置时，钝体与风之间无耦合作用或耦合作用较小，扭摆器顺风摆动，即钝体在风向所在的平面内往复摆动，摆盘凸环和与其接触的传感器间的作用力交替地增加和减小。
钝体直径较大，钝体与风之间存在耦合作用，钝体在风力和碟片簧的作用下还带动扭摆器和摆盘横向往复摆动，横向往复摆动是指钝体的摆动方向与风向垂直；摆盘横向摆动时，摆盘凸环交替地顶靠振动筒的筒顶板上的传感器，传感器上交替地产生电压信号。
扭摆器顺风摆动或横向摆动时，振动筒在摆盘凸环和伸缩簧的作用下均沿导向柱往复振动，振动筒再经所安装阶梯环的大环板迫使大环板上下两侧的换能器产生往复的弯曲变形，换能器弯曲变形的过程中即将机械能转换成电能。
2）自供电监测系统通过收集船体摆动能发电时自供电监测系统置于船体内，船舶行驶过程中产生摆动，扭摆器及其所安装的摆盘在钝体和调频块的惯性力及碟片簧弹性力的作用下发生往复摆动，摆盘凸环交替地顶靠安装在振动筒的筒顶板上的传感器，传感器上交替地产生电压信号；振动筒在摆盘凸环和伸缩簧的作用下沿导向柱往复振动，振动筒再经所安装阶梯环的大环板迫使大环板上下两侧的换能器产生单向弯曲变形，换能器弯曲变形的过程中即将机械能转换成电能；换能器弯曲变形所生成的电能经导线传输到电路板上，经转换处理后用于风向、振动及位置等信号的处理计算与信息发射。
行船过程中，风向或振动方向发生变化时，扭摆器及摆盘的摆动方向发生变化，摆盘凸环所顶靠的传感器的位置发生变化；根据产生电信号传感器所在方位及所生成电压信号的高低即可判断出风向与风速大小以及振动方向与振动强度。
本发明中，扭摆器、钝体、调频块、摆盘及碟片簧构成激励系统，发电单元的发电能力随激励系统振幅增加而增加，为提高发电能力应使激励系统的固有频率与激励频率相适应，激励系统的固有频率为：
Figure 205472DEST_PATH_IMAGE001
，式中：ζ为阻尼比，x为碟片簧的悬臂片自由端所在圆周的半径，K为碟片簧的等效刚度，M1、M2和M3分别为调频块、钝体、摆盘的质量，L1、L2和L3分别为调频块、钝体、摆盘的质心到球头中心的垂直距离，λ和η为修正系数，扭摆器为轻质非金属材料时λ可忽略不计。
优势与特色：适于风及船体颠簸能量回收，实现风向、船体颠簸方向与强度、航行路线与位置等的实时监测；发电单元结构与激励过程简单，多组换能器同步发电，方向测量灵敏度高、发供电能力强；压电片仅受量值可控的压应力，可靠性高；机械系统固有频率易通过结构参数或更换器件调节，风向风速及船舶颠簸环境适应性强；等等。
附图说明
图1 是本发明一个较佳实施例中监测系统的原理及系统构成示意图；
图2是本发明一个较佳实施例中上壳的结构示意图；
图3是本发明一个较佳实施例中下壳的结构示意图；
图4是本发明一个较佳实施例中扭摆器的结构示意图；
图5是本发明一个较佳实施例中偏转器的结构示意图；
图6是图5的仰视图；
图7是本发明一个较佳实施例中碟片簧的结构示意图；
图8是图7的俯视图；
图9是本发明一个较佳实施例中滑套的结构示意图；
图10是图9的俯视图；
图11是本发明一个较佳实施例中阶梯环的结构示意图。
具体实施方式
一种基于风能和振动能收集的监测系统，主要包括上壳a、下壳b、扭摆器c、摆盘d、传感器e、碟片簧k、伸缩簧j、阶梯环h、换能器i、钝体m、飘带n、压板o、电路板p、振动筒r、导向柱q、调频块s。
上壳a和下壳b的侧壁端部相连构成壳体，上壳侧壁a2和下壳侧壁b2端部经螺钉相连，上壳侧壁a2端部和下壳侧壁b2上的环台b3之间经垫环f和垫片g压接有换能器i，垫环f上下两侧各设有一组换能器i，换能器i为由压电片和基片粘接而成的扇形悬臂梁结构，每组中的换能器i都沿圆周方向均布且其基片的固定端相互连接；垫环f与其上下两侧的换能器i构成一个发电单元，同一发电单元中垫环f上下两侧换能器i的基片相对安装，即基片的平面朝向发电单元的内侧、压电片朝向发电单元的外侧；上下相邻两个发电单元间设有垫片g。
扭摆器c的球头c1上下两侧分别设有长轴c2和短轴c3，长轴c2和短轴c3同轴且其轴线经过球头c1的球心；扭摆器c的球头c1经压板o安装在上壳顶壁a1中心处的球腔a3内，压板o经螺钉安装在上壳顶壁a1上并与上壳顶壁a1共同形成球腔；扭摆器c的长轴c2和短轴c3分别位于上壳顶壁a1的上下两侧，长轴c2上经调频块s和螺钉安装钝体m，钝体m为柱状壳体，钝体m可绕长轴c2转动，钝体m上设有飘带n，飘带n的一端沿钝体m的母线固定；短轴c3的端部安装有摆盘d，摆盘d由摆盘体d1和摆盘凸环d2构成，摆盘凸环d2的顶面d3为圆弧面，摆盘体d1与短轴c3经螺纹连接；摆盘体d1的上表面顶靠在碟片簧k上，碟片簧k由外环簧片k1和内环簧片k2构成，内环簧片k2的端部设有悬臂片k3；外环簧片k1经螺钉安装在上壳顶壁a1的下表面，内环簧片k2端部的悬臂片k3顶靠在摆盘体d1的上表面。
下壳b的下壳底壁b1上经螺钉安装有电路板p和导向柱q，导向柱q的底部经螺钉或螺纹安装在下壳底壁b1上；由筒壁r1和筒顶板r2构成的振动筒r安装在导向柱q上并将伸缩簧j压接在导向柱q的端部，筒壁r1套在导向柱q上，振动筒r沿导向柱q上下运动，筒顶板r2上表面上沿圆周方向均布有传感器e，传感器e为圆形的压力传感器，传感器e由压电片或压电柱与其两侧的电极片粘接而成，传感器e沿圆周方向紧密排列，即各相邻传感器e的外缘间无间隙； 传感器e上表面与摆盘凸环d2的底面顶靠在一起；筒壁r1的外缘上经螺钉安装有一组阶梯环h，上下两相邻阶梯环h的大环板h1和小环板h2靠近安装，即阶梯环h的大环板h1和另一个阶梯环h小环板h2靠近安装，大环板h1的自由端置于同一发电单元的两组换能器i之间，大环板h1上下表面与换能器i的基片相接触但无相互作用力，换能器i无弯曲变形、处于平直的自然状态。
本发明中，自供电监测系统通过回收行船时的风能或船舶摇摆动能实现能量自给。
1）自供电监测系统通过收集风能发电时，自供电监测系统置于船体外，飘带n受风力作用将迫使钝体m转动并摆动，从而实现风力发电及风向的自动测量，具体过程如下：有风吹过时，飘带n与风的耦合作用将迫使钝体m转动并使飘带n处于钝体m的下游，钝体m和飘带n在风力作用下带动扭摆器c和摆盘d发生顺风倾斜，顺风倾斜是指扭摆器c和摆盘d沿飘带n所在的平面倾斜，摆盘凸环d2的顶面d3顶靠在其倾斜方向的传感器e上，传感器e受外力作用产生电信号并带动振动筒r向下运动；钝体m、扭摆器c和摆盘d顺风倾斜的同时，扭摆器c还具有两种不同的工作模式。
钝体m直径较小、仅作为飘带n的固定装置时，钝体m与风之间无耦合作用或耦合作用较小，扭摆器c顺风摆动，即钝体m在风向所在的平面内往复摆动，摆盘凸环d2和与其接触的传感器e间的作用力交替地增加和减小。
钝体m直径较大，钝体m与风之间存在耦合作用，钝体m在风力和碟片簧k的作用下还带动扭摆器c和摆盘d横向往复摆动，横向往复摆动是指钝体m的摆动方向与风向垂直；摆盘d横向摆动时，摆盘凸环d2交替地顶靠振动筒r的筒顶板r2上的传感器e，传感器e上交替地产生电压信号。
扭摆器c顺风摆动或横向摆动时，振动筒r在摆盘凸环d2和伸缩簧j的作用下均沿导向柱q往复振动，振动筒r再经所安装阶梯环h的大环板h1迫使大环板h1上下两侧的换能器i产生往复的弯曲变形，换能器i弯曲变形的过程中即将机械能转换成电能。
2）自供电监测系统通过收集船体摆动能发电时自供电监测系统置于船体内，船舶行驶过程中产生摆动，扭摆器c及其所安装的摆盘d在钝体m和调频块s的惯性力及碟片簧k弹性力的作用下发生往复摆动，摆盘凸环d2交替地顶靠安装在振动筒r的筒顶板r2上的传感器e，传感器e上交替地产生电压信号；振动筒r在摆盘凸环d2和伸缩簧j的作用下沿导向柱q往复振动，振动筒r再经所安装阶梯环h的大环板h1迫使大环板h1上下两侧的换能器i产生单向弯曲变形，换能器i弯曲变形的过程中即将机械能转换成电能；换能器i弯曲变形所生成的电能经导线传输到电路板p上，经转换处理后用于风向、振动及位置等信号的处理计算与信息发射。
行船过程中，风向或振动方向发生变化时，扭摆器c及摆盘d的摆动方向发生变化，摆盘凸环d2所顶靠的传感器e的位置发生变化；根据产生电信号传感器e所在方位及所生成电压信号的高低即可判断出风向与风速大小以及振动方向与振动强度。
本发明中，扭摆器c、钝体m、调频块s、摆盘d及碟片簧k构成激励系统，发电单元的发电能力随激励系统振幅增加而增加，为提高发电能力应使激励系统的固有频率与激励频率相适应，激励系统的固有频率为：
Figure 812033DEST_PATH_IMAGE001
，式中：ζ为阻尼比，x为碟片簧k的悬臂片k3自由端所在圆周的半径，K为碟片簧k的等效刚度，M1、M2和M3分别为调频块s、钝体m、摆盘d的质量，L1、L2和L3分别为调频块s、钝体m、摆盘d的质心到球头c1中心的垂直距离，λ和η为修正系数，扭摆器c为轻质非金属材料时λ可忽略不计。/>

Claims (4)

1.一种基于风能和振动能收集的监测系统，其特征在于：上壳和下壳的侧壁端部相连构成壳体，上壳侧壁端部和下壳侧壁的环台间经垫环和垫片压接有压电换能器，垫环上下两侧各设有一组换能器；换能器为由压电片和基片粘接而成的扇形悬臂梁结构，每组中的换能器都沿圆周方向均布且其基片的固定端相互连接；垫环与其上下两侧的换能器构成一个发电单元；上下相邻两个发电单元间设有垫片；球头与其两侧分别设置的长轴和短轴构成扭摆器，球头装在上壳顶壁中心处的球腔内，壳体外的长轴上装有调频块和设有飘带的钝体，壳体内的短轴端部装有由摆盘体和摆盘凸环构成的摆盘；摆盘体上表面顶靠在碟片簧上，碟片簧由外环簧片和内环簧片构成；外环簧片装在上壳顶壁上，内环簧片端部顶靠在摆盘体上；下壳底壁上装有电路板和导向柱，由筒壁和筒顶板构成的振动筒装在导向柱上并将伸缩簧压接在导向柱上，筒顶板上沿圆周方向均布有压力传感器；传感器上表面与摆盘凸环的底面顶靠在一起；筒壁的外缘上装有一组阶梯环，上下两相邻阶梯环的大环板和小环板靠近安装，大环板自由端置于同一发电单元的两组换能器之间。
2.根据权利要求1所述的一种基于风能和振动能收集的监测系统，其特征在于:换能器为由压电片和基片粘接而成的扇形悬臂梁结构，每组中的换能器都沿圆周方向均布且其基片的固定端相互连接；垫环与其上下两侧的换能器构成一个发电单元，同一发电单元中垫环上下两侧换能器的基片相对安装；非工作时，大环板上下表面与换能器的基片相接触但无相互作用力，换能器无弯曲变形。
3.根据权利要求1所述的一种基于风能和振动能收集的监测系统，其特征在于:传感器由压电片或压电柱与其两侧的电极片粘接而成，传感器沿圆周方向紧密排列。
4.根据权利要求1所述的一种基于风能和振动能收集的监测系统，其特征在于:通过回收行船时的风能或船舶摇摆动能实现能量自给。
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