專利名稱：橋梁振動智能供電系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及橋梁監(jiān)測技術領域，具體來說，涉及一種利用橋梁振動實現監(jiān)測部件 智能供電的系統(tǒng)，同時還涉及一種智能供電的方法。
背景技術：
橋梁是國家的重要基礎設施之一，在橋梁建設高速發(fā)展的同時，橋梁安全問題也 越來越受到人們重視。隨著服役期的持續(xù)，橋梁結構可能出現劣化，而日益增長的交通量和 超載等可能會超過原來的設計標準，從而降低橋梁的可靠性，甚至會使橋梁出現安全問題， 釀成災難性的事故。而建造和維護大型橋梁需要耗費大量的人力、物力和財力，滯后于橋梁 建設與發(fā)展的綜合監(jiān)測及評估手段使橋梁管理層和決策層無法對其整體使用性能做出客 觀準確的評估，因此也無法采用低成本高效益的維修養(yǎng)護方法。在這種形勢下，建立與之適 應相匹配的橋梁綜合監(jiān)測與評估系統(tǒng)成為橋梁界研究的熱點之一，具有極為重要的意義。橋梁健康監(jiān)測網絡系統(tǒng)主要是通過大量的監(jiān)測元件(主要是傳感器，例如裂紋、應 變等的監(jiān)測)來實現監(jiān)測目的?，F今，橋梁健康監(jiān)測各器件愈加小型化，低功耗化，拉入市電 需要浪費人力、物力和財力，并且，不合理的布線方式還影響數據采集精準度。當車輛行駛于橋面時，橋梁結構會發(fā)生大幅度的振動，因此可以考慮設計出一種 能夠利用振動壓力進行發(fā)電的裝置，以期達到節(jié)能省電，同時保證電能供給的目的。
發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明的目的之一是提供一種橋梁振動智能供電系統(tǒng)，利用橋梁振動 時產生的壓力驅動發(fā)電機旋轉，產生電能來供給橋梁監(jiān)測部件使用，以達到節(jié)能省電、滿足 電能不間斷供給的目的，同時可以作為現有供電方式的有益補充；本發(fā)明的目的之二是提 供了 一種橋梁振動智能供電方法。本發(fā)明的目的之一是通過以下技術方案實現的
該橋梁振動智能供電系統(tǒng)包括能量轉換裝置、電能存儲裝置和電源管理裝置； 所述能量轉換裝置包括振動傳遞機構、連桿、曲柄和發(fā)電機，所述振動傳遞機構與橋梁 的底面以可拆卸方式相連接，所述連桿的一端與振動傳遞機構相連接，所述連桿的另一端 與曲柄相連接，所述振動傳遞機構將橋梁振動壓力傳遞至連桿，又通過連桿傳遞至曲柄，所 述曲柄與發(fā)電機的輸入軸相連接，通過驅動發(fā)電機的輸入軸旋轉，產生電力；
所述電能存儲裝置包括整流電路、轉換/處理電路I、轉換/處理電路II、超級電容和 蓄電池，所述發(fā)電機的電力輸出端通過整流電路處理后，輸入由超級電容和蓄電池并聯組 成的充/放電模塊，所述充/放電模塊的電源輸出端通過轉換/處理電路II連接至電源管 理裝置；
所述電源管理裝置包括電能管理控制器和電源通道，所述電能管理控制器的電源輸入 端與能量管理裝置的電源輸出端相連，且通過多個電源通道與橋梁監(jiān)測器件相連接。進一步，所述振動傳遞機構包括支架，所述支架的上端與橋梁的底面相連接，所述支架的上部橫向設置有彈性系數較高的懸臂梁，所述懸臂梁的懸空的一端作為接觸端，所 述接觸端的上端面設置有用于與橋梁底面相接觸的質量塊，所述接觸段的下端面與連桿相 連接；
作為振動傳遞機構的另一種結構，所述振動傳遞機構包括沿軸向伸縮的彈簧，所述彈 簧的一端與橋梁底面相連接，所述彈簧另一端吊設有質量塊，所述質量塊的下端面與連桿 相連接；
進一步，所述壓力傳遞機構通過軸承I與連桿相連接，所述連桿過軸承II與曲柄相連接。本發(fā)明的目的之二是通過以下技術方案實現的 該橋梁振動智能供電方法，包括以下步驟
1)在橋梁上設置一連接于橋梁底面的振動傳遞機構，振動傳遞機構通過一連桿與曲柄 相連接的機構將橋梁振動壓力傳遞至發(fā)電機的輸入軸，驅動發(fā)電機的輸入軸旋轉，產生電 力；
2)將發(fā)電機產生的電力通過電能存儲裝置儲存；
3)電能存儲裝置與一電源管理裝置相連接，通過電源管理裝置向橋梁上的各監(jiān)測部件
{共 ο進一步，所述振動傳遞機構包括支架，所述支架的上端與橋梁的底面相連接，所述 支架的上部橫向設置有彈性系數較高的懸臂梁，所述懸臂梁的懸空的一端作為接觸端，所 述接觸端的上端面設置有用于與橋梁底面相接觸的質量塊，所述接觸段的下端面與連桿相 連接。作為振動傳遞機構的另一種可選擇的結構，所述振動傳遞機構包括沿軸向伸縮的 彈簧，所述彈簧的一端與橋梁底面相連接，所述彈簧另一端吊設有質量塊，所述質量塊的下 端面與連桿相連接；
進一步，所述電能存儲裝置包括包括整流電路、轉換/處理電路I、轉換/處理電路II、 超級電容和蓄電池，所述發(fā)電機的電力輸出端通過整流電路處理后，輸入由超級電容和蓄 電池并聯組成的充/放電模塊，所述充/放電模塊的電源輸出端通過轉換/處理電路II連 接至電源管理裝置；
進一步，所述電源管理裝置包括電能管理控制器和電源通道，所述電能管理控制器的 電源輸入端與能量管理裝置的電源輸出端相連，且通過多個電源通道與橋梁監(jiān)測器件相連 接。所述電能管理控制器自動檢測系統(tǒng)存儲電能的大小，在滿載情況下，關閉充電開關，從 而保證充/放電模塊壽命，否則打開充電開關，以采集電能。進一步，所述電能管理控制器存儲橋梁監(jiān)測器件ID標識，當檢測到某一橋梁監(jiān)測 器件需要供電時，所述電能管理控制器將打開相應電源通道為器件實時按需供電。本發(fā)明的有益效果是
1.本發(fā)明的系統(tǒng)結構緊湊，充分利用了車輛在通過橋面時，橋梁產生的振動壓力，巧妙 地將振動壓力轉化為驅動發(fā)電機運行的動力，產生的電能通過電能存儲裝置進行存儲后， 通過電源管理裝置輸出至各監(jiān)測部件中，從而達到了節(jié)能省電的目的，綠色環(huán)保；
2.本發(fā)明的系統(tǒng)可以單獨使用，也可以作為現有供電方式的補充，保證在外部電源中 斷的情況下，通過自動切換裝置接駁到本系統(tǒng)上，實現監(jiān)測部件的不間斷持續(xù)運行；3.本發(fā)明的系統(tǒng)通過電源管理裝置實現智能管理，只有在需要時才供電給待測區(qū)域的 傳感器，而在其他時候，傳感器都處于閑置狀態(tài)，從而大大減輕傳感器的負荷，降低系統(tǒng)消 耗，同時延長傳感器壽命。本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并 且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可 以從本發(fā)明的實踐中得到教導。本發(fā)明的目標和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書和權利要 求書來實現和獲得。
為了使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明作進 一步的詳細描述，其中
圖1為實施例一的系統(tǒng)結構連接示意圖； 圖2為實施例二的系統(tǒng)結構連接示意圖。
具體實施例方式以下將參照附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。應當理解，優(yōu)選實施例 僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護范圍。實施例一
如圖1所示，本發(fā)明的橋梁振動智能供電系統(tǒng)，包括能量轉換裝置、電能存儲裝置和電
源管理裝置；
能量轉換裝置包括壓力傳遞機構、連桿1、曲柄2和發(fā)電機3，所述振動傳遞機構與橋梁 的底面以可拆卸方式相連接，連桿1的一端與振動傳遞機構相連接，所述連桿1的另一端與 曲柄2相連接，振動傳遞機構將橋梁振動壓力傳遞至連桿1，又通過連桿傳遞至曲柄2，所述 曲柄2與發(fā)電機3的輸入軸相連接，當輸入軸旋轉時，帶動發(fā)電機內部的線圈旋轉，切割永 磁體產生的磁場，產生電力；
電能存儲裝置包括整流電路4、轉換/處理電路I 6、轉換/處理電路II 7、超級電容8 和蓄電池9，所述發(fā)電機的電力輸出端通過整流電路4處理后，輸入由超級電容8和蓄電池 9并聯組成的充/放電模塊17，充/放電模塊17的電源輸出端通過轉換/處理電路II 7 連接至電源管理裝置；
電源管理裝置包括電能管理控制器10和電源通道11，所述電能管理控制器10的電源 輸入端與能量管理裝置的電源輸出端相連，且通過多個電源通道11與各橋梁監(jiān)測器件相 連接。電源管理裝置可以實現智能管理，只有在需要時才供電給待測區(qū)域的傳感器，而在其 他時候，傳感器都處于閑置狀態(tài)，從而大大減輕傳感器的負荷，降低系統(tǒng)消耗，同時延長傳 感器壽命。作為進一步的改進，振動傳遞機構包括支架12，所述支架12的上端與橋梁的底面 相連接，所述支架12的上部橫向設置有彈性系數較高的懸臂梁13，所述懸臂梁13的懸空的 一端作為接觸端，所述接觸端的上端面設置有用于與橋梁底面相接觸的質量塊15，所述接 觸段的下端面與連桿1相連接。振動傳遞機構通過軸承I 15與連桿1相連接，連桿1通過 軸承II 16與曲柄2相連接。
當車輛經過橋梁發(fā)生振動時，質量塊向下方移動，從而帶動連桿與曲軸之間的互 動，使發(fā)電機輸入軸旋轉，產生電能。作為進一步的改進，為了保護整套系統(tǒng)，還可以將前面所述的系統(tǒng)所有部件都放 置在一個保護箱體里面，該保護箱體可以采用錨固的方式或者螺栓固定的方式與橋梁相連接。實施例二
本實施例與實施例一的不同之處在于振動傳遞機構包括若采用彈簧14，所述彈簧14 的一端與橋梁底面相連接，彈簧14另一端吊設有質量塊15，質量塊15的下端面與連桿1相 連接。當車輛經過橋梁發(fā)生振動時，彈簧發(fā)生沿軸向的上下伸縮運動，帶動質量塊的移 動，進一步帶動連桿與曲軸之間的互動，使發(fā)電機輸入軸旋轉，產生電能。相比較而言，實施例一中的懸臂梁所承受應力載荷較多，抗疲勞性較強；而實施例 二中的彈簧結構簡單，功能純粹，易于安裝，重量更輕。二者均需要采用彈性系數較高的材 料，還可以做成陣列結構以滿足大范圍、大區(qū)域的需要。當然，該振動傳遞機構也可以采用其他方式，如果要求不高，可以直接設計成與橋 梁底面以可拆卸方式連接的構件。本發(fā)明的橋梁振動智能供電方法，包括以下步驟
1)在橋梁上設置一連接于橋梁底面的振動傳遞機構，振動傳遞機構通過一連桿與曲柄 相連接的機構將橋梁振動壓力傳遞至發(fā)電機的輸入軸，驅動發(fā)電機的輸入軸旋轉，產生電 力；
2)將發(fā)電機產生的電力通過電能存儲裝置儲存；本實施例中，電能存儲裝置包括包括 整流電路、轉換/處理電路I、轉換/處理電路II、超級電容和蓄電池，所述發(fā)電機的電力輸 出端通過整流電路處理后，輸入由超級電容和蓄電池并聯組成的充/放電模塊，所述充/放 電模塊的電源輸出端通過轉換/處理電路II連接至電源管理裝置；
3)電能存儲裝置與一電源管理裝置相連接，通過電源管理裝置向橋梁上的各監(jiān)測部件 供電，本實施例中，所述電源管理裝置包括電能管理控制器和電源通道，所述電能管理控制 器的電源輸入端與能量管理裝置的電源輸出端相連，且通過多個電源通道與橋梁監(jiān)測器件 相連接。所述電能管理控制器自動檢測系統(tǒng)存儲電能的大小，在滿載情況下，關閉充電開 關，從而保證充/放電模塊壽命，否則打開充電開關，以采集電能。作為進一步的改進，為了滿足智能供電的需要，電能管理控制器存儲有橋梁監(jiān)測 器件ID標識，當檢測到某一橋梁監(jiān)測器件需要供電時，所述電能管理控制器將打開相應電 源通道為器件實時按需供電。如果此時電能不足，電能管理控制器發(fā)出報警聲，要求充/放電模塊進行充電， 請求電量的器件在一定時間范圍內進行等待，否則自動退出本次請求。作為該方法的進一步改進，該振動傳遞機構包括支架，支架的上端與橋梁的底面 相連接，支架的上部橫向設置彈性系數較高的懸臂梁，所述懸臂梁的懸空的一端作為接觸 端，所述接觸端的上端面設置有用于與橋梁底面相接觸的質量塊，所述接觸段的下端面與 連桿相連接。當車輛經過橋梁發(fā)生振動時，質量塊向下方移動，從而帶動連桿與曲軸之間的 互動，使發(fā)電機輸入軸旋轉。
當然，所述振動傳遞機構還可以采用另外的方式，比如利用沿軸向伸縮的彈簧，所 述彈簧的一端與橋梁底面相連接，所述彈簧另一端吊設有質量塊，所述質量塊的下端面與 連桿相連接。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照較 佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技 術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明 的權利要求范圍當中。
權利要求
1.橋梁振動智能供電系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)包括能量轉換裝置、電能存儲裝置 和電源管理裝置；所述能量轉換裝置包括振動傳遞機構、連桿(1)、曲柄(2)和發(fā)電機(3)，所述振動傳遞 機構與橋梁的底面以可拆卸方式相連接，所述連桿(1)的一端與振動傳遞機構相連接，所述 連桿(1)的另一端與曲柄(2)相連接，所述振動傳遞機構將橋梁振動壓力傳遞至連桿(1 )， 又通過連桿傳遞至曲柄(2)，所述曲柄(2)與發(fā)電機(3)的輸入軸相連接，通過驅動發(fā)電機 (3)的輸入軸旋轉，產生電力；所述電能存儲裝置包括整流電路(4)、轉換/處理電路I (6)、轉換/處理電路II (7)、 超級電容(8)和蓄電池(9)，所述發(fā)電機的電力輸出端通過整流電路(4)處理后，輸入由超 級電容(8)和蓄電池(9)并聯組成的充/放電模塊，所述充/放電模塊的電源輸出端通過轉 換/處理電路II (7)連接至電源管理裝置；所述電源管理裝置包括電能管理控制器(10)和電源通道(11)，所述電能管理控制器 (10)的電源輸入端與能量管理裝置的電源輸出端相連，且通過多個電源通道(11)與各橋梁 監(jiān)測器件相連接。
2.根據權利要求1所述的橋梁振動智能供電系統(tǒng)，其特征在于所述振動傳遞機構包 括支架(12)，所述支架(12)的上端與橋梁的底面相連接，所述支架(12)的上部橫向設置 有彈性系數較高的懸臂梁(13)，所述懸臂梁(13)的懸空的一端作為接觸端，所述接觸端的 上端面設置有用于與橋梁底面相接觸的質量塊(15)，所述接觸段的下端面與連桿(1)相連接。
3.根據權利要求1所述的橋梁振動智能供電系統(tǒng)，其特征在于所述振動傳遞機構包 括沿軸向伸縮的彈簧(14)，所述彈簧(14)的一端與橋梁底面相連接，所述彈簧(14)另一端 吊設有質量塊(15)，所述質量塊(15)的下端面與連桿(1)相連接。
4.根據權利要求1所述的橋梁振動智能供電系統(tǒng)，其特征在于所述壓力傳遞機構通 過軸承I (16)與連桿(1)相連接，所述連桿(1)通過軸承II (17)與曲柄(2)相連接。
5.橋梁振動智能供電方法，其特征在于包括以下步驟1)在橋梁上設置一連接于橋梁底面的振動傳遞機構，振動傳遞機構通過一連桿與曲柄 相連接的機構將橋梁振動傳遞至發(fā)電機的輸入軸，驅動發(fā)電機的輸入軸旋轉，產生電力；2)將發(fā)電機產生的電力通過電能存儲裝置儲存；3)電能存儲裝置與一電源管理裝置相連接，通過電源管理裝置向橋梁上的各監(jiān)測部件{共 ο
6.根據權利要求5所述的橋梁振動智能供電方法，其特征在于所述振動傳遞機構包 括支架，所述支架的上端與橋梁的底面相連接，所述支架的上部橫向設置有彈性系數較高 的懸臂梁，所述懸臂梁的懸空的一端作為接觸端，所述接觸端的上端面設置有用于與橋梁 底面相接觸的質量塊，所述接觸段的下端面與連桿相連接。
7.根據權利要求5所述的橋梁振動智能供電方法，其特征在于所述振動傳遞機構包 括沿軸向伸縮的彈簧，所述彈簧的一端與橋梁底面相連接，所述彈簧另一端吊設有質量塊， 所述質量塊的下端面與連桿相連接。
8.根據權利要求5或6或7所述的橋梁振動智能供電方法，其特征在于所述電能存 儲裝置包括包括整流電路、轉換/處理電路I、轉換/處理電路II、超級電容和蓄電池，所述發(fā)電機的電力輸出端通過整流電路處理后，輸入由超級電容和蓄電池并聯組成的充/放電 模塊，所述充/放電模塊的電源輸出端通過轉換/處理電路II連接至電源管理裝置。
9.根據權利要求8所述的橋梁振動智能供電方法，其特征在于所述電源管理裝置包 括電能管理控制器和電源通道，所述電能管理控制器的電源輸入端與能量管理裝置的電源 輸出端相連，且通過多個電源通道與橋梁監(jiān)測器件相連接。所述電能管理控制器自動檢測 系統(tǒng)存儲電能的大小，在滿載情況下，關閉充電開關，從而保證充/放電模塊壽命，否則打 開充電開關，以采集電能。
10.根據權利要求9所述的橋梁振動智能供電方法，其特征在于所述電能管理控制器 存儲橋梁監(jiān)測器件ID標識，當檢測到某一橋梁監(jiān)測器件需要供電時，所述電能管理控制器 將打開相應電源通道為器件實時按需供電。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種橋梁振動智能供電系統(tǒng)，包括能量轉換裝置、電能存儲裝置和電源管理裝置；所述能量轉換裝置包括振動傳遞機構、連桿、曲柄和發(fā)電機，振動傳遞機構將橋梁振動壓力傳遞至連桿，又通過連桿傳遞至曲柄，所述曲柄與發(fā)電機的輸入軸相連接，驅動發(fā)電機的輸入軸旋轉，產生電力；電能存儲裝置包括整流電路、轉換/處理電路I、轉換/處理電路II、超級電容和蓄電池，所述電源管理裝置包括電能管理控制器和電源通道，電能管理控制器的電源輸入端與能量管理裝置的電源輸出端相連，且通過多個電源通道與各橋梁監(jiān)測器件相連接。本發(fā)明的系統(tǒng)結構緊湊，充分利用了車輛在通過橋面時，橋梁產生的振動壓力，達到了節(jié)能省電、保證監(jiān)測部件不間斷運行的目的。
文檔編號H02J7/32GK102118054SQ20111002176
公開日2011年7月6日 申請日期2011年1月19日 優(yōu)先權日2011年1月19日
發(fā)明者唐練, 張奔牛 申請人:重慶交通大學