專利名稱:浮橋監(jiān)測系統(tǒng)自維持懸臂梁式壓電電源的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及電力【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是一種浮橋監(jiān)測系統(tǒng)自維持懸臂梁式壓電電源。包括圓筒形密閉外殼，所述外殼的內(nèi)壁上間距開有若干凹槽，所述凹槽內(nèi)設(shè)置有壓電懸臂梁陣列，所述壓電懸臂梁陣列的電極并聯(lián)，分別與設(shè)置在外殼上的輸出電極連接，所述壓電懸臂梁陣列的中心軸處還設(shè)置有機械能量收集與傳遞裝置。本可以將工作環(huán)境中存在的外部機械載荷轉(zhuǎn)換為彈簧質(zhì)量塊組件的自維持振動能量形式，從而延長了機械載荷的持續(xù)效果并相應(yīng)延長了壓電換能器維持機電轉(zhuǎn)換的時間，提高了外部機械能量的收集效率。
【專利說明】浮橋監(jiān)測系統(tǒng)自維持懸臂梁式壓電電源

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及電力【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是一種浮橋監(jiān)測系統(tǒng)自維持懸臂梁式壓電電源。

【背景技術(shù)】
[0002]為保證浮橋結(jié)構(gòu)的可靠性與安全性，需要對其健康狀態(tài)、損傷情況等進行實時監(jiān)測。由于浮橋是一個復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)，對其進行狀態(tài)監(jiān)測需布置大量測點。利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對浮橋結(jié)構(gòu)進行大范圍分布式監(jiān)測，將大大增強監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和實效性。無線傳感器是傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本組成部分，由于其體積微小，自身攜帶的電池能量有限，而且無線傳感器具有數(shù)量多、分布區(qū)域廣、部署環(huán)境復(fù)雜等特點，很難通過更換電池的方式獲取能量。而且化學(xué)電池長期儲存性能較差，特別是在較低溫度下，化學(xué)電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)往往不能發(fā)生或者發(fā)生不完全，從而導(dǎo)致不能正常工作?？梢?，傳統(tǒng)供電方式已經(jīng)逐漸成為制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的一個重要因素，新型供電技術(shù)研宄勢在必行。
[0003]由于無線傳感器在浮橋工作環(huán)境中主要存在的是低頻振動、非連續(xù)沖擊能等機械能量，而壓電材料能夠利用本身的正壓電效應(yīng)直接將機械能轉(zhuǎn)換為電能，所以可以將壓電材料設(shè)計成壓電電源為無線傳感器供電。同時，壓電電源具有激活速度快、環(huán)境適應(yīng)性強、長期儲存性能好、結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)小型化、成本低廉等特點，可見，壓電電源非常適合作為專用物理電源使用。近年來，壓電發(fā)電技術(shù)由于其自身的優(yōu)點，在嵌入式MEMS、收集環(huán)境能等方面呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用潛力。而隨著材料技術(shù)發(fā)展尤其是壓電材料壓電系數(shù)的大幅提升，以及微功耗電子元器件的廣泛應(yīng)用，使得壓電電源的設(shè)計與研制逐漸成為一個熱點研宄方向。
[0004]然而，現(xiàn)有壓電電源仍然普遍存在發(fā)電量小、供電時間短等缺點，導(dǎo)致難以真正實現(xiàn)其持續(xù)供電的能力。分析主要原因是由于其發(fā)電單元壓電換能器的機電轉(zhuǎn)換效率是有限的，且現(xiàn)有壓電電源的發(fā)電方式是通過外部機械載荷一次性作用于壓電換能器以使其產(chǎn)生電能，外部載荷的瞬時性增加了壓電換能器機電轉(zhuǎn)換及電能收集管理的難度，從而進一步降低了壓電電源的機電轉(zhuǎn)換能力。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種浮橋監(jiān)測系統(tǒng)自維持懸臂梁式壓電電源，滿足浮橋監(jiān)測系統(tǒng)供電需求。
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型包括圓筒形密閉外殼，所述外殼的內(nèi)壁上間距開有若干凹槽，所述凹槽內(nèi)設(shè)置有壓電懸臂梁陣列，所述壓電懸臂梁陣列的電極并聯(lián)，分別與設(shè)置在外殼上的輸出電極連接，所述壓電懸臂梁陣列5的中心軸處還設(shè)置有機械能量收集與傳遞裝置。
[0007]所述機械能量收集與傳遞裝置包括設(shè)置在外殼內(nèi)的彈簧，所述彈簧的兩端分別固定在外殼內(nèi)兩端，所述彈簧還與質(zhì)量塊固定連接，所述質(zhì)量塊外壁間隔固定有激勵圓環(huán)。
[0008]所述外殼內(nèi)壁中央處向內(nèi)伸展設(shè)置有凸臺，所述凸臺與質(zhì)量塊中部凹槽外壁之間間隙配合。
[0009]壓電懸臂梁工作時，其一端被固定，利用自由端的彎曲振動實現(xiàn)機械能向電能的轉(zhuǎn)換。由于電能的獲得是由陶瓷材料內(nèi)部的應(yīng)變能轉(zhuǎn)換而來的，沒有較大的應(yīng)變輸入，也難以激發(fā)較多的電荷。而外部激勵作用在壓電懸臂梁上，這種方式可產(chǎn)生較大的撓度，增加壓電層產(chǎn)生的機械變形量，因此能夠表現(xiàn)更高的電能輸出。本實用新型在傳統(tǒng)壓電換能器的基礎(chǔ)上增加了以彈簧質(zhì)量塊組件為核心的機械能量收集與傳遞機構(gòu)，它可以將工作環(huán)境中存在的外部機械載荷轉(zhuǎn)換為彈簧質(zhì)量塊組件的自維持振動能量形式，從而延長了機械載荷的持續(xù)效果并相應(yīng)延長了壓電換能器維持機電轉(zhuǎn)換的時間，提高了外部機械能量的收集效率。同時設(shè)計了壓電懸臂梁陣列結(jié)構(gòu)以進一步提高發(fā)電單元的機電轉(zhuǎn)換效率，最終在很大程度上延長了壓電電源的供電時間。
[0010]此外，壓電懸臂梁自身會產(chǎn)生有規(guī)律振動，當彈簧質(zhì)量塊組件固有頻率與懸臂梁振動頻率接近時，其振幅將出現(xiàn)最大值，可提高整體結(jié)構(gòu)的輸出電能。在自維持壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中還需考慮振動匹配特性，以滿足彈簧質(zhì)量塊組件與懸臂梁陣列的共振條件，從而最大化提高該壓電電源的發(fā)電能力。

【附圖說明】

[0011]圖1是自維持懸臂梁式壓電電源結(jié)構(gòu)圖；
[0012]圖2是彈簧質(zhì)量塊組件剖視圖；
[0013]圖3是彈簧質(zhì)量塊組件結(jié)構(gòu)圖；
[0014]圖4是自維持壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)圖；
[0015]圖5是壓電懸臂梁陣列結(jié)構(gòu)圖；

【具體實施方式】
[0016]本實用新型所列舉的實施例，只是用于幫助理解本實用新型，不應(yīng)理解為對本實用新型保護范圍的限定，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型思想的前提下，還可以對本實用新型進行改進和修飾，這些改進和修飾也落入本實用新型權(quán)利要求保護的范圍內(nèi)。
[0017]如圖1所示，本實用新型包括圓筒形密閉外殼1，所述外殼I的內(nèi)壁從頂端至底端按照均勻間距開有若干凹槽11，壓電懸臂梁陣列5固定在這些凹槽內(nèi)部。所有壓電懸臂梁陣列5的電極并聯(lián)連接在一起，并分別與設(shè)置在外殼I上的輸出電極相連接，所述壓電懸臂梁陣列5的中心軸處還設(shè)置有機械能量收集與傳遞裝置。作為本實用新型的優(yōu)選實施例，所述機械能量收集與傳遞裝置包括設(shè)置在外殼I上下底部的彈簧2，所述彈簧2的兩端分別嵌入固定在外殼I上下底部的圓形凹槽內(nèi)。為了更好的收集外界能量，所述彈簧2還與質(zhì)量塊3固定連接，且在質(zhì)量塊3外壁均勻固定排列一組激勵圓環(huán)4，構(gòu)成彈簧質(zhì)量塊組件6。外殼I內(nèi)壁中央處向內(nèi)伸展設(shè)置有凸臺12，所述凸臺12與質(zhì)量塊中部凹槽外壁之間間隙配合，以防止彈簧質(zhì)量塊組件在工作期間出現(xiàn)橫向振動或擺動現(xiàn)象，確保彈簧沿外殼的軸線方向運動。自維持懸臂梁式壓電電源利用彈簧質(zhì)量塊組件6將外部能量轉(zhuǎn)換為振動形式的機械能，在彈簧質(zhì)量塊組件6的振動過程中，激勵圓環(huán)4將與對應(yīng)的壓電懸臂梁陣列5發(fā)生碰撞，從而激勵各單體懸臂梁53產(chǎn)生一致的振動，壓電懸臂梁陣列5在振動過程中由于本身的壓電效應(yīng)產(chǎn)生持續(xù)的電能輸出。其中，質(zhì)量塊4的作用是為了增強對壓電懸臂梁陣列5的載荷效果以及調(diào)整彈簧質(zhì)量塊組件6的等效質(zhì)量。彈簧3則是彈簧質(zhì)量塊6組件實現(xiàn)預(yù)期功能的關(guān)鍵元件，其參數(shù)更為重要也較為復(fù)雜。進行彈簧參數(shù)計算時，一般給出最大工作載荷和所對應(yīng)的形變量，但是本實用新型中需要進行彈簧質(zhì)量塊組件6與壓電懸臂梁陣列5的匹配設(shè)計，所以必須首先確定彈簧3的剛度系數(shù)與最大形變量(當彈簧承受過載荷時，結(jié)構(gòu)設(shè)計中的保護機構(gòu)將限制彈簧進一步變形)?？梢?，彈簧質(zhì)量塊組件6是實現(xiàn)自維持供電特性的重要機構(gòu)，其設(shè)計將在很大程度上影響到該發(fā)電電源的性能指標。
[0018]如圖2和圖3所示，彈簧2頂部23為封閉面，底部24開有凹槽，為了便于彈簧2和質(zhì)量塊3的固定連接，所述質(zhì)量塊3的內(nèi)部掏成圓柱桶狀結(jié)構(gòu)，彈簧2底部24套入至質(zhì)量塊3內(nèi)部，內(nèi)圓柱外壁31與彈簧內(nèi)壁之間間隙配合，以確保彈簧沿外殼的軸線方向運動。彈簧2的凹槽底面25與質(zhì)量塊3內(nèi)部凸臺32緊固在一起。所述彈簧2包括第一單元彈簧21和第二單元彈簧22，所述第一單元彈簧21和第二單元彈簧22對稱分布，分別按照上述方式與質(zhì)量塊3固定在一起。為了限制了彈簧質(zhì)量塊組件6的最大振幅，從而防止過載狀態(tài)下壓電懸臂梁陣列5被撞壞，在所述質(zhì)量塊3外壁中間部分開出凹槽33，凹槽33上下表面的間距決定了彈簧3壓縮或拉伸的總變形量，以限制彈簧3的形變范圍，防止在拉伸、壓縮過程中發(fā)生損壞。質(zhì)量塊3外壁均勻開有槽口 34，激勵圓環(huán)4內(nèi)壁41嵌入固定在槽口34內(nèi)，激勵圓環(huán)4外側(cè)按照均勻間距加工突出尖頭42。
[0019]如圖4所示，激勵圓環(huán)4尖頭42的數(shù)量與壓電懸臂梁陣列5中單體壓電懸臂梁53的數(shù)量相同，排列位置一一對應(yīng)。彈簧質(zhì)量塊組件6在振動過程中，每個尖頭42前端與對應(yīng)的單體壓電懸臂梁53末梢發(fā)生碰撞，使壓電懸臂梁陣列5產(chǎn)生相一致的振動。在實際應(yīng)用中，通過物理撞擊方式實現(xiàn)尖頭42對壓電懸臂梁53的振動激勵，不僅轉(zhuǎn)換效率不高，而且還極易造成接觸部分發(fā)生磨損。所以為了使整套系統(tǒng)能夠更加有效且安全的實現(xiàn)功能，可以將激勵圓環(huán)4的突出尖頭42利用強力磁鐵代替，同時在壓電懸臂梁53末梢處安裝一個磁性相反的磁鐵。上述兩磁鐵盡量接近對方，以增強之間的吸引力，從而提高激勵效果。
[0020]如圖5所示，在基板圓環(huán)52的內(nèi)壁按均勻間距打矩形孔51，將單體壓電懸臂梁53分別嵌入固定在這些矩形孔51內(nèi)，要求基板圓環(huán)52緊緊夾持住壓電懸臂梁53，就構(gòu)成了壓電懸臂梁陣列5。單個壓電懸臂梁53在電氣上并聯(lián)連接，壓電懸臂梁陣列5之間通過導(dǎo)線并聯(lián)聯(lián)接。這種結(jié)構(gòu)成倍增加了并聯(lián)壓電懸臂梁的總數(shù)量，大幅提高了壓電換能器的機電轉(zhuǎn)換效率，同時也提高了抗過載能力，由于并聯(lián)陣列具有較大的電容量，更進一步提高了電能輸出能力。
[0021]下面介紹下本實用新型的工作原理:
[0022]帶有自維持懸臂梁式壓電電源的無線傳感器安裝在浮橋或其他裝備的關(guān)鍵監(jiān)測部位，浮橋在架設(shè)、通載及撤收過程中都將在無線傳感器工作環(huán)境中產(chǎn)生非連續(xù)沖擊、低頻振動等機械能量。在機械載荷作用下，自維持壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)中的彈簧質(zhì)量塊組件在外部機械載荷作用下迅速移動至最大位移處。此時，激勵圓環(huán)將首次對壓電懸臂梁陣列施加載荷，壓電懸臂梁陣列則由于壓電效應(yīng)第一次將機械能轉(zhuǎn)換為電能并通過電能收集與管理電路進行存儲或供電，實現(xiàn)了該壓電電源的快速激活性；彈簧質(zhì)量塊組件同時將一部分外部能量儲存為彈性勢能，隨后彈簧質(zhì)量塊組件將自由振動，致使激勵圓環(huán)進一步對壓電懸臂梁陣列施加重復(fù)載荷，在彈簧質(zhì)量塊組件停止運動之前，壓電懸臂梁陣列則通過收集這部分振動能而產(chǎn)生持續(xù)的電能輸出。
[0023]通過上述方法，自維持壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)將浮橋工作環(huán)境中的外部機械能轉(zhuǎn)換為彈簧勢能，在彈簧質(zhì)量塊組件振動過程中產(chǎn)生交變作用逐步加載給壓電懸臂梁陣列，而不是將外部載荷一次性作用在壓電發(fā)電單元上?？梢娮跃S持懸臂梁壓電電源能夠延長外部機械載荷對壓電懸臂梁陣列的作用時間，即延長了壓電懸臂梁陣列將機械能轉(zhuǎn)化為電能的時間，并最終延長了電源的持續(xù)供電時間。
【權(quán)利要求】
1.浮橋監(jiān)測系統(tǒng)自維持懸臂梁式壓電電源，包括圓筒形密閉外殼(1)，其特征在于，所述外殼(I)的內(nèi)壁上間距開有若干凹槽(11)，所述凹槽(11)內(nèi)設(shè)置有壓電懸臂梁陣列(5)，所述壓電懸臂梁陣列(5)的電極并聯(lián)，分別與設(shè)置在外殼上的輸出電極連接，所述壓電懸臂梁陣列(5)的中心軸處還設(shè)置有機械能量收集與傳遞裝置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的浮橋監(jiān)測系統(tǒng)自維持懸臂梁式壓電電源，其特征在于，所述機械能量收集與傳遞裝置包括設(shè)置在外殼(I)內(nèi)的彈簧(2)，所述彈簧(2)的兩端分別固定在外殼(I)內(nèi)兩端，所述彈簧(2)還與質(zhì)量塊(3)固定連接，所述質(zhì)量塊(3)外壁間隔固定有激勵圓環(huán)(4)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的浮橋監(jiān)測系統(tǒng)自維持懸臂梁式壓電電源，其特征在于，所述外殼(I)內(nèi)壁中央處向內(nèi)伸展設(shè)置有凸臺(12)，所述凸臺(12)與質(zhì)量塊中部凹槽外壁之間間隙配合。
【文檔編號】H02N2-18GK204271949SQ201420562161
【發(fā)明者】黎暉, 沈冬祥, 王彪, 鐘小生, 張祥, 邴浩千 [申請人]中國人民解放軍63983部隊