CN114123844B - 一种摩擦俘能的自供电监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种摩擦俘能的自供电监测系统，属测量与新能源领域，底座装在机壳侧壁端部并将定盘压接在机壳内，定盘体上下两侧都设有定电极片和定摩擦片；扭摆杆的球头上下两侧分别设有长短阶梯杆，球头装在机壳顶壁的球腔内；长阶梯杆上装有调频块和侧壁上带飘带的钝体；钝体底壁顶靠在装在机壳顶壁上方碟片簧上；短阶梯杆端部装有激励盘；由套桶壁和桶顶壁构成的套桶装在底座上的导柱上，套桶顶壁上均布有传感器；传感器与激励盘的顶环接触；一组动盘套在套桶壁上并经压环固定，压环装在套桶壁端部并将碟型簧压在底座上；动盘和定盘间隔安装且其间留有间隙；动盘体上下两侧都粘接有动电极片和动摩擦片，动摩擦片和定摩擦片的材料不同。
Description
技术领域
本发明属监测与新能源技术领域，具体涉及一种摩擦俘能的自供电监测系统，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、摩擦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
本发明提出一种摩擦俘能的自供电监测系统，本发明采用的实施方案是：一种摩擦俘能的自供电监测系统，主要包括机壳、底座、扭摆杆、激励盘、传感器、碟片簧、碟型簧、动盘、定盘、钝体、飘带、压板、电路板、套桶、导柱、调频块、外环垫、内环垫和压环。
机壳由机壳侧壁和机壳顶壁构成，机壳顶壁内侧设有环台，机壳顶壁上设有球腔；机壳侧壁端部经螺钉安装在底座上，底座经外环垫将定盘的外缘压接在机壳顶壁内侧的环台上，两个相邻的定盘之间、定盘与底座之间以及定盘与环台之间均设有外环垫；定盘的定盘体上下两侧由内到外都依次设有定电极片和定摩擦片。
扭摆杆的由球头与其上下两侧所设置的长阶梯杆和短阶梯杆构成，长阶梯杆和短阶梯杆同轴且其轴线经过球头的球心；球头经压板安装在机壳顶壁中心处的球腔内，压板经螺钉安装在机壳顶壁的外侧并与机壳顶壁共同形成球腔；扭摆杆的长阶梯杆和短阶梯杆分别位于机壳顶壁的上下两侧，长阶梯杆上经调频块和螺钉安装钝体，钝体为柱状壳体，钝体可绕长阶梯杆转动，钝体侧壁上设有飘带，飘带的一端沿钝体侧壁的母线固定；钝体底壁顶靠在碟片簧上，碟片簧由外环簧片和外环簧片内侧的悬臂簧片构成，悬臂簧片沿外环簧片内缘均布，悬臂簧片向外环簧片上方倾斜；外环簧片和电路板分别经螺钉安装在机壳顶壁的外侧和内侧，悬臂簧片端部顶靠在钝体底壁上；短阶梯杆的端部安装有激励盘，激励盘由激励盘体和激励盘顶环构成，激励盘顶环的顶面为圆弧面，短阶梯杆通过螺钉安装在激励盘的激励盘体上。
底座上经螺钉安装有导柱，导柱经螺钉或螺纹安装在底座上；由套桶壁和桶顶壁构成的套桶安装在导柱上，套桶壁套在导柱上，套桶沿导柱上下运动，桶顶壁上沿圆周方向均布有传感器，传感器位于桶顶壁的上方，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；传感器上表面与激励盘顶环的底面顶靠在一起；一组动盘安装在套桶壁上，动盘套在套桶壁的外缘上并经压环固定，相邻动盘之间设有内环垫，压环经螺钉安装在套桶壁的端部，压环与底座之间压接有碟型簧；动盘和定盘间隔安装，即定盘位于两个相邻的动盘之间、动盘位于两个相邻的定盘之间；动盘体上下两侧从内到外都粘接有动电极片和动摩擦片。
动摩擦片和定摩擦片的材料不同，动摩擦片和定摩擦片为摩擦电序列中相距较远的两种材料，如尼龙和聚四氟乙烯、铝和聚四氟乙烯，等等；非工作时，所有相邻的动摩擦片和定摩擦片间的距离相等；定电极片与定盘体之间、动电极片和动盘体之间都设有弹性缓冲层，缓冲层的材料为硅胶或泡沫；外环垫和内环垫由弹性缓冲材料制成，弹性缓冲材料为硅胶或泡沫。
定电极片与定摩擦片构成定复合层，动电极片和动摩擦片构成动复合层，两个相邻的动复合层和定复合层构成一个摩擦发电单元。
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）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杆和激励盘发生顺风倾斜，顺风倾斜是指扭摆杆和激励盘沿飘带所在的平面向风的下游倾斜，激励盘顶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推动套桶向下运动；钝体、扭摆杆和激励盘顺风倾斜的同时，扭摆杆具有两种不同的工作模式。
扭摆杆顺风摆动或横向摆动时，套桶在激励盘顶环和碟型簧的作用下均沿导柱往复振动，套桶上的动盘与定盘交替地接触与分离并将机械能转换成电能。
2）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，扭摆杆及其所安装的激励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，激励盘顶环交替地顶靠安装在套桶的桶顶壁的传感器上，传感器上交替地产生电压信号，套桶在激励盘和碟型簧的作用下上下往复振动，套桶上的动盘与定盘交替地接触与分离并将机械能转换成电能。
动盘与定盘交替地接触与分离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，风向或船体摆动方向发生变化时，扭摆杆及激励盘的摆动方向发生变化，激励盘顶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船体摆动方向与强度，所获信息经电路板上的发射单元发出去。
本发明中，扭摆杆、钝体、调频块、激励盘及碟片簧构成激励系统，激励系统振幅需满足摩擦发电单元的接触-分离位移要求，为提高振幅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：
，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、激励盘的质量，L1、L2和L3分别为调频块、钝体、激励盘的质心到球头中心的垂直距离，λ和η为修正系数，扭摆杆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；摩擦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；接触-分离发电方式，避免了摩擦磨损、可靠性高；振动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机架的结构示意图；
图3是本发明一个较佳实施例中钝体的结构示意图；
图4是本发明一个较佳实施例中扭摆杆的结构示意图；
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是本发明一个较佳实施例中碟片簧的结构示意图；
图7是图6的俯视图；
图8是本发明一个较佳实施例中滑套的结构示意图；
图9是图8的俯视图；
图10是本发明一个较佳实施例中定盘的结构示意图；
图11是本发明一个较佳实施例中动盘的结构示意图。
具体实施方式
一种摩擦俘能的自供电监测系统，主要包括机壳a、底座b、扭摆杆c、激励盘d、传感器e、碟片簧k、碟型簧j、动盘h、定盘i、钝体m、飘带n、压板o、电路板p、套桶r、导向柱q、调频块s、外环垫f1、内环垫f2和压环f3。
机壳a由机壳侧壁a2和机壳顶壁a1构成，机壳顶壁a1内侧设有环台a3，机壳顶壁a1的上设有球腔a4；机壳侧壁a2端部经螺钉安装在底座b上，底座b经外环垫f1将定盘i的外缘压接在机壳顶壁a1内侧的环台a3上，两个相邻的定盘i之间、定盘与底座b之间以及定盘i与环台a3之间均设有外环垫f1；定盘i的定盘体i1上下两侧由内到外都依次设有定电极片i2和定摩擦片i3。
扭摆杆c的由球头c1与其上下两侧所设置的长阶梯杆c2和短阶梯杆c3构成，长阶梯杆c2和短阶梯杆c3同轴且其轴线经过球头c1的球心；球头c1经压板o安装在机壳顶壁a1中心处的球腔a4内，压板o经螺钉安装在机壳顶壁a1的外侧并与机壳顶壁a1共同形成球腔；扭摆杆c的长阶梯杆c2和短阶梯杆c3分别位于机壳顶壁a1的上下两侧，长阶梯杆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可绕长阶梯杆c2转动，钝体侧壁m2上设有飘带n，飘带n的一端沿钝体侧壁m2的母线固定；钝体底壁m1顶靠在碟片簧k上，碟片簧k由外环簧片k1和外环簧片k1内侧的悬臂簧片k2构成，悬臂簧片k2沿外环簧片k1内缘均布，悬臂簧片k2向外环簧片k1上方倾斜；外环簧片k1和电路板p分别经螺钉安装在机壳顶壁a1的外侧和内侧，悬臂簧片k2端部顶靠在钝体底壁m1上；短阶梯杆c3的端部安装有激励盘d，激励盘d由激励盘体d1和激励盘顶环d2构成，激励盘顶环d2的顶面d3为圆弧面，短阶梯杆c3通过螺钉安装在激励盘d的激励盘体d1上。
底座b上经螺钉安装有导向柱q，导向柱q经螺钉或螺纹安装在底座b上；由套桶壁r1和桶顶壁r2构成的套桶r安装在导向柱q上，套桶壁r1套在导向柱q上，套桶r沿导向柱q上下运动，桶顶壁r2上沿圆周方向均布有传感器e，传感器e位于桶顶壁r2的上方，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上表面与激励盘顶环d2的底面顶靠在一起；一组动盘h安装在套桶壁r1上，动盘h套在套桶壁r1的外缘上并经压环f3固定，相邻动盘h之间设有内环垫f2，压环f3经螺钉安装在套桶壁r1的端部，压环f3与底座b之间压接有碟型簧j；动盘h和定盘i间隔安装，即定盘i位于两个相邻的动盘h之间、动盘h位于两个相邻的定盘i之间；动盘体h1上下两侧从内到外都粘接有动电极片h2和动摩擦片h3。
动摩擦片h3和定摩擦片i3的材料不同，动摩擦片h3和定摩擦片i3为摩擦电序列中相距较远的两种材料，如尼龙和聚四氟乙烯、铝和聚四氟乙烯，等等；非工作时，所有相邻的动摩擦片h3和定摩擦片i3间的距离相等。
定电极片i2与定盘体i1之间、动电极片h2和动盘体h1之间都设有弹性缓冲层，缓冲层的材料为硅胶或泡沫；外环垫f1和内环垫f2由弹性缓冲材料制成，弹性缓冲材料为硅胶或泡沫。
定电极片i2与定摩擦片i3构成定复合层，动电极片h2和动摩擦片h3构成动复合层，两个相邻的动复合层和定复合层构成一个摩擦发电单元。
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）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杆c和激励盘d发生顺风倾斜，顺风倾斜是指扭摆杆c和激励盘d沿飘带n所在的平面向风的下游倾斜，激励盘顶环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推动套桶r向下运动；钝体m、扭摆杆c和激励盘d顺风倾斜的同时，扭摆杆c具有两种不同的工作模式。
扭摆杆c顺风摆动或横向摆动时，套桶r在激励盘顶环d2和碟型簧j的作用下均沿导向柱q往复振动，套桶r上的动盘h与定盘i交替地接触与分离并将机械能转换成电能。
2）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，扭摆杆c及其所安装的激励盘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，激励盘顶环d2交替地顶靠安装在套桶r的桶顶壁r2的传感器e上，传感器e上交替地产生电压信号，套桶r在激励盘d和碟型簧j的作用下上下往复振动，套桶r上的动盘h与定盘i交替地接触与分离并将机械能转换成电能。
动盘h与定盘i交替地接触与分离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，风向或船体摆动方向发生变化时，扭摆杆c及激励盘d的摆动方向发生变化，激励盘顶环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船体摆动方向与强度，所获信息经电路板上的发射单元发出去。
本发明中，扭摆杆c、钝体m、调频块s、激励盘d及碟片簧k构成激励系统，激励系统振幅需满足摩擦发电单元的接触-分离位移要求，为提高振幅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：
，式中：ζ为阻尼比，x为碟片簧k的悬臂片k2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、激励盘d的质量，L1、L2和L3分别为调频块s、钝体m、激励盘d的质心到球头c1中心的垂直距离，λ和η为修正系数，扭摆杆c为轻质非金属材料时λ可忽略不计。/>
Claims (6)
1.一种摩擦俘能的自供电监测系统，其特征在于：底座装在机壳侧壁端部并经外环垫将定盘的外缘压接在机壳顶壁内侧的环台上，两相邻定盘间、定盘与底座间以及定盘与环台间均设有外环垫；定盘体上下两侧由内到外都依次设有定电极片和定摩擦片；扭摆杆的球头上下两侧分别设有长阶梯杆和短阶梯杆，球头装在机壳顶壁中心处的球腔内；长阶梯杆上装有调频块和侧壁上带飘带的钝体；钝体底壁顶靠在碟片簧上，碟片簧装在机壳顶壁上方；短阶梯杆端部装有由激励盘体和激励盘顶环构成的激励盘；导柱装在底座上，由套桶壁和桶顶壁构成的套桶装在导柱上，桶顶壁上沿圆周方向均布有传感器；传感器与激励盘顶环接触；一组动盘套在套桶壁上并经压环固定，相邻动盘间设有内环垫，压环装在套桶壁端部并将碟型簧压在底座上；动盘和定盘间隔安装；动盘体上下两侧从内到外都粘接有动电极片和动摩擦片；动摩擦片和定摩擦片的材料不同。
2.根据权利要求1所述的一种摩擦俘能的自供电监测系统，其特征在于：定电极片与定摩擦片构成定复合层，动电极片和动摩擦片构成动复合层，相邻的动复合层和定复合层构成一个摩擦发电单元。
3.根据权利要求1所述的一种摩擦俘能的自供电监测系统，其特征在于：有风或船体摆动时，扭摆杆及激励盘摆动并经传感器驱动套桶及动盘往复振动，传感器产生电信号、摩擦发电单元发电，根据产生电信号传感器所在方位及电压信号高低判断风向与风速以及船体摆动方向与强度，所获信息经电路板上的发射单元发出去。
4.根据权利要求1所述的一种摩擦俘能的自供电监测系统，其特征在于: 碟片簧由外环簧片和外环簧片内侧的悬臂簧片构成，悬臂簧片沿外环簧片内缘均布，悬臂簧片向外环簧片上方倾斜；外环簧片装在机壳顶壁上，悬臂簧片端部顶靠在钝体底壁上。
5.根据权利要求1所述的一种摩擦俘能的自供电监测系统，其特征在于: 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。
6.根据权利要求1所述的一种摩擦俘能的自供电监测系统，其特征在于: 定电极片与定盘体之间、动电极片和动盘体之间都设有弹性缓冲层，外环垫和内环垫由弹性缓冲材料制成，弹性缓冲材料为硅胶或泡沫。
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