CN117091691A - 一种应用于隔震支座上的健康监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种应用于隔震支座上的健康监测装置，为由上下两部分构成的环形结构，安装在隔震支座外围；上下两部分分别为振动能量收集组件与振动信号收集组件，两者均由交替层叠设置的压电单元与橡胶隔离垫片构成。在隔震支座发生纵向振动时，压电单元将振动能转化交流电或电信号，由铜电极板的接线引出。振动能量收集组件中引出交流电经整流、转换后达到信号调理与发射组件所需工作电压，实现整体健康监测装置在振动监测过程中的自供电。同时，振动信号收集组件引出的电信号发送到信号调理与发射组件进行调理后无线发射到远程信号采集装置，实现了对隔震支座振动的无源无线监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种无源压电无线传感装置，尤其涉及一种应用于隔震支座上的健康监测装置。
背景技术
压电材料具有压电效应，分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指压电材料由于形变而产生电极化的现象，反之对压电材料施加电压，使之产生机械能的现象称为逆压电效应。因此，压电材料利用压电效应俘能的原理即是利用压电材料机电耦合的特性，直接将机械振动产生的机械能转化为电能。
隔震支座是指结构为达到隔震要求而设置的支承装置，是在上部结构与地基之间增加隔震层，安装隔震支座，起到与地面的软连接，通过这样的技术，可以把地震80％左右的能量抵消掉。隔震支座作为建筑安全的重要保障，当前隔震支座还开始大量布置于地铁站、火车站和机场航站楼中，除了用来作为竖向支撑结构，还用来显著的提高这些重要建筑的抗震性能。隔震支座需要进行健康检测，然而由于无线传感器的能源问题，当前很难实现隔震支座的实时监测。
发明内容
针对上述隔震支座实时监测困难问题，本发明提出一种设计合理，简易高效的应用于隔震支座上的健康监测装置，在对隔震支座进行振动监测的同时还可以将振动能转换为电能，无需外部供电就能实现监测信号的无线传输，实现了对隔震支座振动的无源无线监测。
本发明应用于隔震支座上的健康监测装置，包括振动能量收集组件、振动信号收集组件与信号调理与发射组件。
所述振动能量收集组件与振动信号收集组件各自均为交替层叠固定的环形压电单元与环形橡胶隔离垫片，且压电单元与环形橡胶隔离垫片同轴设置，形成筒状结构；同时振动能量收集组件与振动信号收集组件中各压电单元间接线并联。振动能量收集组件与振动信号收集组件两者间进一步同轴固定，形成整体筒状结构，套于隔振支座外围，两端与隔震支座上下连接板固定。
由此，在隔振支座发生纵向振动时，振动能量收集组件中压电单元间的接线可将交流电引出至整流器，由整流器将交流电转换为直流电，进一步通过转换电路将电压转换为信号调制与发射组件需要的工作电压，实现健康监测装置的自供电。振动信号收集组件中压电单元间的接线将电信号引出至信号调制与发射组件进行调制后发送到远程信号采集装置，最终实现对隔震支座振动的无源无线监测。
本发明的优点在于：
1、本发明应用于隔震支座上的健康监测装置，与现有技术相比，本申请解决了传统上用无线传感器对隔震支座进行健康监测的供能问题，实现了无源无线传感，从而实现了隔震支座的实时检测。
2、本发明应用于隔震支座上的健康监测装置中，能量收集单元可以吸收外部振动能，在把其转化成电能为信号收集单元供电的同时，减少了隔震支座所承受的外部振动能，可以降低隔震结构的振动，从而降低上部结构的振动。
3、本发明应用于隔震支座上的健康监测装置，安装于隔震支座外围，且没有外部接线，安装简单，维护方便。
附图说明
图1为本发明健康检测装置整体结构剖面图。
图2为本发明健康检测装置整体结构原理图。
图3为本发明健康检测装置中压电单元结构断面图。
图4为本发明健康检测装置整体外部结构示意图。
图中：
1-振动能量收集组件 2-振动信号收集组件 3-信号调理与发射组件
4-压电单元 5-橡胶隔离垫片 6-整流器
7-DC\DC转换电路 301-信号放大器 302-振荡器
303-调制器 304-发射天线 401-铜电极板A
402-压电陶瓷片组 403-铜电极板B 404-外伸焊接部
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明应用于隔震支座上的健康监测装置是一种应用于隔震支座的无源压电传感装置，由振动能量收集组件1、振动信号收集组件2与信号调理与发射组件3构成，如图1、图2所示。
所述振动能量收集组件1与振动信号收集组件2均由多个压电单元4及多个橡胶隔离垫片5构成，振动能量收集组件1还包括整流器6与DC/DC转换电路7。其中多个压电单元4与多个橡胶隔离垫片5交替层叠设置，之间通过环氧树脂胶层连接。压电单元4与橡胶隔离垫片5为等内径环形结构，内径尺寸应大于隔震支座外径尺寸，且同轴，形成整体筒状结构。橡胶隔离垫片5由聚氨酯橡胶制作而成，厚度设计为10mm左右，适用于对较大荷载、冲击或振动有更高要求的应用，能够提供更高的减震、隔振和承载能力。
所述振动能量收集组件1中，压电单元4的数量为10～20，具体数量与整流器及信号调理与发射组件3中的振动器和调制器等元件的工作功率相关；振动信号收集组件中的压电单元4数量与信号调理与发射组件所需信号强度相关。压电单元4的具体结构设计为：
如图3所示，压电单元4为由从上至下设置的铜电极板A401、压电陶瓷片组402、铜电极板B403构成的三层结构，各层之间通过环氧树脂胶层连接。
其中，压电陶瓷片组402为上下布置的三层厚度为10mm的PZT-5H全电极压电陶瓷片，通过粘接共烧工艺形成整体结构；压电陶瓷片组402的电极即铜电极板A401与铜电极板B402，为采用由黄铜薄板自制厚度为0.2mm的电极板，内圈位置具有方便走线的外伸焊接部404，便于按照需求调整走线方式，减少电能的损耗。上述压电陶瓷片具体数量的多少主要由以下几个因素确定：1、元件工作需要的输入电压范围和精度；2、每个压电片的输出电荷量和效率；3、粘接共烧工艺允许的层数限制；本发明中主要考虑前两个因素。
上述振动能量收集组件1与振动信号收集组件2中，相邻压电单元4中位于同侧的铜电极板间接线相连，使各压电单元4间并联连接，两条导出的接线为正负极。
在振动能量收集组件1中，两条导出的接线正负极与整流器6连接，由整流器6将交流电转换为直流电，并通过DC/DC转换电路7将电压转换为信号调制与发射组件3需要的工作电压。在振动信号收集组件2中，两导出的接线正负极与信号调制与发射组件3连接。
上述结构的振动能量收集组件1与振动信号收集组件2同轴设置，套于隔震支座外部，本实施方式中将振动能量收集组件1置于振动信号收集组件2上方，反置亦可。振动能量收集组件1底端与振动信号收集组件2顶端压电单元4间共用同一橡胶隔离垫片5，通过环氧树脂胶层固连构成整体健康监测装置，其内壁与橡胶隔震支座外壁间具有一定空间，用于设置接线、整流器6、DC\DC转换电路7与信号调理与发射组件3。振动能量收集组件1顶端，以及振动信号收集组件2底端压电单元4与隔震支座的上、下连接板间为一层橡胶隔离垫片5，通过环氧树脂胶层固连从而使整体健康监测装置可随隔震支座的纵向振动而振动。进一步在整体健康检测装置外部套有筒装保护壳8，保护壳8上下两端与隔震支座的上、下连接板固定。同时保护壳8内径与整体健康监测装置外径尺寸匹配，使保护壳8内壁与整体健康监测装置外壁贴合，防止整体健康监测装置结构暴露于空气中加速老化；且保护壳8材质为橡胶，具有一定的弹性，不会影响整体健康监测装置的纵向位移。
本发明健康检测装置中，各个压电单元4在受到外力作用或施加电场时，其内部的正负电荷分布会发生变化，从而产生电势差和电荷。当外力作用于压电单元4时，压电单元4会发生变形或振动，从而将机械能转化为电能。这种机械能转化为电能的过程可以通过俘能来利用。同时，压电单元4的电荷分布变化随时间的变化形成了交流电信号；当外力或电场频率发生变化时，压电单元4会产生相应频率的交流电信号；由此使得压电单元4可作为电信号源或传感器输入；且通过控制外力或电场的频率，可以调整压电单元4产生的交流电信号的频率和特性，以满足不同应用的需求。因此，压电单元4获得的交流电既可以用作俘能，即将机械能转换为电能来实现能量收集，也可以作为电信号用于传感和通信应用，利用压电效应的特性和机制，实现了能量转换和信号传输的双重功能。
由此，在本发明健康监测装置应用时，当隔震支座发生纵向振动时，造成多个压电单元4的电荷分布变化，产生交流电与电信号。振动能量收集组件1中，两条导线引出交流电，经过整流器6和DC/DC转换电路7后达到信号调理与发射组件3需要的工作电压，实现整体健康监测装置在振动监测过程中的自供电。同时，振动信号收集组件2中，两条接线引出电信号发送到信号调理与发射组件3。
所述的信号调理和发射组件3包括信号放大器301、振荡器302、调制器303和发射天线304。其中，信号放大器301、振荡器302、调制器303和发射天线304的正负电源输入端口分别连接振动能量收集组件2的正极与负极，实现信号调理和发射组件3的供电。信号放大器301的输入端接入两条接线引出的电信号，以增加信号强度，确保其具有足够的能量来进行后续处理。信号放大器301的输出连接到振荡器302的输入端；振荡器302由振动能量收集组件1供电，产生高频振荡信号，为调频提供基准信号。信号放大器301的输出与振荡器302的输出连接到调制器303的输入端；由调制器303将交流电信号和振荡器302产生的基准信号进行混合，实现调频；调频可以通过频率调制(FM)或相位调制(PM)来实现。调制器303的输出连接到发射天线，由发射天线304将调制后的信号转化为电磁波并将其辐射出去，以进行信号传输；信号以无线传输方式发送至远程信号采集装置，实现对隔震支座的无源无线监测。
Claims (6)
1.一种应用于隔震支座上的健康监测装置，其特征在于：包括振动能量收集组件、振动信号收集组件与信号调理与发射组件；
所述振动能量收集组件与振动信号收集组件各自均为交替层叠固定的环形压电单元与环形橡胶隔离垫片构成，且压电单元与环形橡胶隔离垫片同轴设置，形成筒状结构；同时振动能量收集组件与振动信号收集组件中各压电单元间接线并联；
上述结构的振动能量收集组件与振动信号收集组件两者间进一步同轴固定，形成整体筒状结构，套于隔振支座外围，两端与隔震支座上下连接板固定；
在隔振支座发生纵向振动时，振动能量收集组件中压电单元间的接线将交流电引出至整流器，由整流器将交流电转换为直流电，进一步通过转换电路将电压转换为信号调制与发射组件需要的工作电压；振动信号收集组件中压电单元间的接线将电信号引出至信号调制与发射组件进行调制后发送到远程信号采集装置。
2.如权利要求1所述一种应用于隔震支座上的健康监测装置，其特征在于：压电单元为从上至下设置的铜电极板A、压电陶瓷片组、铜电极板B构成的三层结构；其中，压电陶瓷片组为上下布置的三层全电极压电陶瓷片；铜电极板A与铜电极板B作为压电陶瓷片组的电极，内圈位置外伸焊接部，用于接线。
3.如权利要求1所述一种应用于隔震支座上的健康监测装置，其特征在于：振动能量收集组件底端与振动信号收集组件顶端压电单元间共用同一橡胶隔离垫片；同时振动能量收集组件与振动信号收集组件构成的整体筒状结构两端与隔震支座的上、下连接板间为一层橡胶隔离垫片。
4.如权利要求1所述一种应用于隔震支座上的健康监测装置，其特征在于：振动能量收集组件与振动信号收集组件构成的整体筒状结构内壁与橡胶隔震支座外壁间具有一定空间，用于设置接线、整流器、转换电路与信号调理与发射组件。
5.振动能量收集组件与振动信号收集组件构成的整体筒状结构外部套有橡胶保护壳，保护壳上下两端与隔震支座的上、下连接板固定；同时保护壳内壁与振动能量收集组件与振动信号收集组件构成的整体筒状结构外壁贴合。
6.如权利要求1所述一种应用于隔震支座上的健康监测装置，其特征在于：信号调理和发射组件包括信号放大器、振荡器、调制器和发射天线；其中，信号放大器用于以增加电信号强度；信号放大器的输出连接到振荡器的输入端；振荡器用于产生高频振荡信号，为调频提供基准信号；信号放大器的输出与振荡器的输出连接到调制器的输入端；由调制器将交流电信号和振荡器产生的基准信号进行混合，实现调频；调制器的输出连接到发射天线，由发射天线将调制后的信号转化为电磁波并将其辐射出去，以进行信号传输；信号以无线传输方式传输至远程信号采集装置。
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