一种基于压电叠堆的河流监测装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于压电叠堆的河流监测装置，属河流监测领域。外壳由聚流管和直管构成，直管内壁上经筋板一和二分别装有扰流体和内筒，扰流体与内筒中心线相垂直；内筒两端装有端盖，左端盖上镶嵌有传感器一和二、装有带发射单元的电路板；阶梯轴左半轴左端盖的中心孔伸出，左半轴端部装有激励器；左半轴上套有预紧弹簧，预紧弹簧顶靠在左端盖和阶梯轴右半轴轴肩上；右半轴通过防扭板将压电叠堆压接在右端盖上。优势特色：利用流固作用发电，无需外界能量、无电磁干扰，可实现真正意义的实时在线监测；监测装置结构简单、径向尺度小、易通过多压电叠堆串联获得所需能量；发电单元结构参数合理、能量转换效率及可靠性高。
【专利说明】
一种基于压电叠堆的河流监测装置
技术领域
[0001]本发明属于河流监测技术领域，具体涉及一种基于压电叠堆的河流监测装置。【背景技术】
[0002]我国境内遍布的河流达数千条之多。近年来，由于工业废污水处理力度不够、水土流失及农药和化肥等使用不当等原因，大部分河流都存在一定程度的污染问题，近1/4的河流或河段因污染而不能满足基本的灌溉需求。此外，由于目前很多地区中小河流防洪设施不完善、甚至没有任何防洪设施，汛期来临之际可能导致溃堤或漫堤等危险，直接威胁了沿岸群众的生命和财产安全。因此，河流监测已受到国家相关部门的高度重视，十二五期间水利部就曾计划实现对《中小河流治理和中小水库除险加固专项规划》确定的五千余条河流的监测全覆盖；同时，国内专家学者也相继提出了相应的监测方法和手段，包括针对河水污染的水质监测技术，针对防洪及泥石流等自然灾害的雨量、水位以及河道水流速等监测技术等多方面。虽然所提出的某些监测方法在技术层面已较成熟，但目前尚未得到大面的积推广应用，其主要原因之一是监测系统供电问题未得到很好的解决。
【发明内容】
[0003]针对现有河流监测系统供电方面所存在的问题，本发明提出一种基于压电叠堆的河流监测装置。本发明采用的实施方案是:外壳由聚流管和直管构成，直管内壁上经筋板一固定有圆柱形扰流体、经筋板二固定有方形内筒，扰流体与内筒的中心线相互垂直;直管外侧设有支架；内筒左右两端分别经螺钉安装有左端盖和右端盖，左端盖上镶嵌有传感器一和传感器二、经螺钉安装有带发射单元的电路板;阶梯轴的左半轴经左端盖的中心孔从内筒中伸出，左半轴端部安装有激励器;左半轴上套有预紧弹簧，预紧弹簧左右两端分别顶靠在左端盖和阶梯轴的右半轴轴肩上，右半轴端部为球面;右半轴通过方形防扭板将压电叠堆压接在右端盖上，方形防扭板周边与内筒内壁相接触;压电叠堆和预紧弹簧的刚度相等， 压电叠堆的预紧力为其可承受最大压力的10%?30%。
[0004]工作时、即有流体流过扰流体时，流体和扰流体之间将产生相互作用。在某些条件下，流体流经扰流体时会在扰流体后面形成两行旋转方向相反、且周期性交替脱落的漩涡， 漩涡的交替脱落会引起扰流体与激励器之间的流体压力的交替变化，从而使激励器前后两侧的流体压力差交替地变化，交替变化的流体压力使激励器产生左右往复振动。对于本发明，激励器的左右往复振动经阶梯轴带动压电叠堆伸缩变形，从而将机械能转换成电能;所生成电能经导线传输到电路板的能量转换与存储电路，为传感器一和二、及信号发射单元供电，发射单元将流体相关信息发射出去。
[0005]本发明中，为使压电叠堆能被有效激励，监测装置在最大流速下工作时压电叠堆的静压缩量为其最大可压缩量的一半;流体实际流速由单位时间内压电叠堆生成的电压波形数量表征，即vifiD/Si，式中Si为与结构及流体相关的系数为流体所引起的压电叠堆的伸缩频率、即单位时间内所生成的电压波形数，D=(200?5000)ii/(pVQ)为扰流体直径，P为流体密度，μ为流体动力粘度，Vo为最大流速。
[0006]优势与特色:利用扰流体及激励器与流体的耦合作用发电并实现自动监测，无需外界能量供应、无电磁干扰，可实现真正意义的实时在线监测；监测装置结构简单、径向尺度小、易通过多压电叠堆串联获得所需能量;发电单元结构参数合理、能量转换效率及可靠性尚°
【附图说明】
[0007]图1是本发明一个较佳实施例中监测装置的结构示意图；
[0008]图2是图1的A-A剖视图；
[0009]图3是图1的I部放大图。
【具体实施方式】
[0010]外壳a由聚流管al和直管a2构成，直管a2内壁上经筋板bl固定有圆柱形扰流体m、经筋板b2固定有方形内筒e，扰流体m与内筒e的中心线相互垂直;直管a2的外侧设有支架c;内筒e的左右两端分别经螺钉安装有左端盖k和右端盖g，左端盖k上镶嵌有传感器一 SI和传感器二 S2、经螺钉安装有带发射单元P的电路板d;阶梯轴h的左半轴hi经左端盖k的中心孔从内筒e中伸出，左半轴hi端部安装有激励器j;左半轴hi上套有预紧弹簧i，预紧弹簧i的左右两端分别顶靠在左端盖k和阶梯轴h的右半轴h2的轴肩上，右半轴h2的端部为球面，右半轴h2通过方形防扭板X将压电叠堆f压接在右端盖g上，方形防扭板X的周边与内筒e的内壁相互接触;压电叠堆f和预紧弹簧i的刚度相等，压电叠堆f的预紧力为其可承受最大压力的10%?30%。
[0011 ]工作时、即有流体流过扰流体m时，流体和扰流体m之间将产生相互作用。在某些条件下，流体流经扰流体m时会在扰流体m后面形成两行旋转方向相反、且周期性交替脱落的漩涡，漩涡的交替脱落会引起扰流体m与激励器j之间的流体压力的交替变化，从而使激励器j前后两侧的流体压力差交替地变化，交替变化的流体压力使激励器j产生左右往复振动。对于本发明，激励器j的左右往复振动经阶梯轴h带动压电叠堆f伸缩变形，从而将机械能转换成电能;所生成电能经导线传输到电路板d的能量转换与存储电路，为传感器一 S1、传感器二S2及信号发射单元P供电，发射单元P将流体相关信息发射出去。
[0012]本发明中，为使压电叠堆f能被有效激励，监测装置在最大流速Vo下工作时压电叠堆f的静压缩量为其最大可压缩量的一半;流体的实际流速由单位时间内压电叠堆生成的电压波形数量表征，即V = ADziS1，式中S1为与结构及流体相关的系数，A为流体所引起的压电叠堆f的伸缩频率、即单位时间内所生成的电压波形数，0=(200?50004/(0￥())为扰流体m的直径，P为流体密度，μ为流体动力粘度，Vo为最大流速。
[0013]显然，本发明利用扰流体m及激励器j与流体的耦合作用发电并实现自动监测，无需外界能量供应、无电磁干扰，可实现真正意义的实时在线监测；监测装置结构简单、径向尺度小、易通过多压电叠堆串联获得所需能量;发电单元结构参数合理、能量转换效率及可靠性高。
【主权项】
1.一种基于压电叠堆的河流监测装置，其特征在于:外壳由聚流管和直管构成，直管内壁上经筋板一和二分别固定有圆柱形扰流体和方形内筒，扰流体与内筒的中心线相互垂直;直管外侧设有支架；内筒左右两端分别经螺钉安装有左右端盖，左端盖上镶嵌有传感器一和二、经螺钉安装有带发射单元的电路板;阶梯轴左半轴经左端盖的中心孔从内筒中伸出，左半轴端部安装有激励器;左半轴上套有预紧弹簧，预紧弹簧左右两端分别顶靠在左端盖和阶梯轴右半轴的轴肩上，右半轴端部为球面;右半轴通过方形防扭板将压电叠堆压接在右端盖上，防扭板周边与内筒内壁相接触;压电叠堆和预紧弹簧的刚度相等，压电叠堆的预紧力为其可承受最大压力的10%?30% ;最大流速下工作时压电叠堆的静压缩量为其最大可压缩量的一半。
【文档编号】G01N33/18GK106018724SQ201610459748
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月15日
【发明人】蒋永华, 严梦加, 王淑云, 阚君武
【申请人】浙江师范大学