一种柔性涡流摆动能量的捕获与测量流体流速的装置的制作方法

本发明涉及一种发电和测速装置，具体涉及一种涡街驱动压电柔性带产生压电效应的发电和测速装置。

背景技术：

压电效应是某些特殊的材料上可实现机械能与电能相互转换的现象。某些电介质在沿一定的方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化的现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。冯卡门在1911年发现，当雷诺数大于一特征值后，流体绕流柱体会在后方产生卡门涡周期交替脱落现象，其脱落涡的频率与来流速度、圆柱半径相关。现如今利用压电装置来制作传感器的研究十分普遍，而在压电转换发电装置上的研究却不是很多。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种柔性涡流摆动能量的捕获与测量流体流速的装置。

本发明提供了一种柔性涡流摆动能量的捕获与测量流体流速的装置，利用流体产生的卡门涡街进行压电效应发电以及对流体的流速进行测量，其特征在于，包括固定支架；以及与流体的流动方向平行且与固定支架可转动连接的能量捕获部。其中，能量捕获部包括与固定支架转动连接的圆柱杆、压电单元以及测速模块，压电单元，包括压电柔性带和输出导线，压电柔性带包括至少一层PVDF压电薄膜，压电柔性带的一端与圆柱杆固定连接，另一端为活动端，压电柔性带与输出导线连接；测速模块通过输出导线与压电单元相连，检测输出电流的频率后计算得到环境流体的流速。

在本发明提供的柔性涡流摆动能量的捕获与测量流体流速的装置中，还可以具有这样的特征：其中，压电柔性带为多层PVDF压电薄膜与多层PE膜相互间隔叠合而成。

另外，在本发明提供的柔性涡流摆动能量的捕获与测量流体流速的装置中，还可以具有这样的特征：其中，压电柔性带呈矩形，在压电柔性带第一层和最后一层的两侧分别设置有加强条带，该加强条带用于夹紧压电柔性带，从而使得压电柔性带中的PVDF压电薄膜与PE膜贴合。

另外，在本发明提供的柔性涡流摆动能量的捕获与测量流体流速的装置中，还可以具有这样的特征：其中，加强条带上设置有复数个通孔，在通孔中设置螺栓组或绳索，通过拧紧螺栓或收紧绳索从而夹紧加强条带。

另外，在本发明提供的柔性涡流摆动能量的捕获与测量流体流速的装置中，还可以具有这样的特征：其中，压电单元还包括设置在圆柱杆与压电柔性带之间的支架，支架呈长条形，支架的一侧与压电柔性带固定连接，另一侧与圆柱杆卡合固定连接。

另外，在本发明提供的柔性涡流摆动能量的捕获与测量流体流速的装置中，还可以具有这样的特征：其中，支架平行于圆柱杆设置且支架平面与圆柱杆的轴线共面。

另外，在本发明提供的柔性涡流摆动能量的捕获与测量流体流速的装置中，还可以具有这样的特征：其中，输出导线设置在压电柔性带靠近圆柱杆的一侧。

另外，在本发明提供的柔性涡流摆动能量的捕获与测量流体流速的装置中，还可以具有这样的特征：其中，能量捕获部还包括：整流稳压模块，通过输出导线与压电单元相连，用于将压电单元产生的交流电转换成直流电，蓄电池与整流稳压模块相连，用于存储直流电。

另外，本发明还提供一种使用上述柔性涡流摆动能量的捕获与测量流体流速的装置的测量方法，包括以下步骤：

S1，将测速模块与压电单元的输出导线相连接，获得压电单元输出的交流电；

S2，检测并获得交流电的频率；

S3，获取涡街频率f；

S4，根据公式U＝fd/St计算得出环境流体的流速；其中，f为涡街频率，d为圆柱杆的直径，St为斯托拉哈常数；

S5，根据S4中公式计算得出的流速结果显示在测速模块的屏幕上。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的一种柔性涡流摆动能量的捕获与测量流体流速的装置，其特征在于，包括：固定支架；以及与流体的流动方向平行且与固定支架可转动连接的能量捕获部，其中，能量捕获部包括与固定支架转动连接的圆柱杆和压电单元，压电单元包括至少一层PVDF压电薄膜的压电柔性带和输出导线，压电柔性带的一端与圆柱杆固定连接，另一端为活动端，输出导线与压电柔性带连接并输出压电单元产生的交流电，能量捕获部还包括测速模块，测速模块通过输出导线与压电单元相连，用于检测交流电的频率，通过计算得出环境流体的流速。

本发明采用的是重量轻，柔性大，压电效率高的PVDF压电薄膜，PVDF压电薄膜具有较好的柔性变形和低流速灵敏感知性，并且对使用的环境条件要求不高，具有降低制造成本的特点。

附图说明

图1是本发明的实施例中柔性涡流摆动能量的捕获与测量流体流速的装置示意图；

图2是本发明的实施例中柔性涡流摆动能量捕获的示意图；以及

图3是本发明的实施例中一种压电柔性带的示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明提供的柔性涡流摆动能量的捕获与测量流体流速的装置作具体阐述。

图1是本发明的实施例中一种柔性涡流摆动能量的捕获与测量流体流速的装置示意图。

如图1所示，柔性涡流摆动能量的捕获与测量流体流速的装置100包括固定支架10以及能量捕获部20。

本实施例中固定支架10呈杆状，杆的下端固定设置在地面上。

能量捕获部20与固定支架可转动连接并且与流体的流动方向平行设置，能量捕获部包括圆柱杆21、压电单元22、测速模块23、整流稳压模块24以及蓄电池25。

圆柱杆21的下端与固定支架10的上端可转动连接，圆柱杆21可以绕自身的轴线转动，从而实现根据流体的流向进行位置自调节，圆柱杆21直径为d，本实施例中d为200mm。

压电单元22包括压电柔性带221、支架222、输出导线223以及连接导线224。

图2是本发明的实施例中柔性涡流摆动能量捕获的示意图。

如图2所示，压电柔性带221的一端与圆柱杆21固定连接，另一端为活动端，A表示流体通过圆柱杆21后在压电柔性带221的两个面上产生的周期涡街，卡门涡街驱动压电单元22产生的压电效应而发电。

压电柔性带221包括至少一层PVDF(聚偏氟乙烯)压电薄膜2211。

图3是本发明的实施例中一种压电柔性带的示意图。

如图3所示，压电柔性带221包括2层PVDF压电薄膜2211、3层PE(聚乙烯)膜2212、4个加强条带2213。

PVDF压电薄膜2211用于发电，PE膜2212用于绝缘并对整个压电柔性带221增加一定的强度，压电柔性带221呈矩形，使用一层PE膜2212覆盖一层PVDF压电薄膜2211再覆盖一层PE膜2212以此类推进行设置，在压电柔性带221顶面和底面均为PE膜2212，图3为2层PVDF压电薄膜2211与3层PE膜2212相互间隔叠合而成。

在压电柔性带221顶面和底面的两侧分别设置有加强条带2213，该加强条带2213用于夹紧压电柔性带221，从而使得压电柔性带221中的PVDF压电薄膜2211与PE膜2212贴合。

加强条带2213上设置有至少1个通孔2213a；上下设置的加强条带2213为一组，加强条带2213上的通孔2213a对应设置且同轴线，本实施例中在2组加强条带2213上设置有4组通孔2213a。

压电柔性带221还包括至少4根扎绳，依次分别将扎绳穿过上下两个加强条带2213的对应设置的两个通孔2213a，收紧扎绳后夹紧加强条带2213，从而使得压电柔性带221中的PVDF压电薄膜2211与PE膜2212贴合成一体。

如图1所示，支架222设置在圆柱杆21与压电柔性带221之间，呈长条形状，支架222的一侧与压电柔性带221与固定连接，另一侧与圆柱杆21卡合固定连接，支架222平行于圆柱杆21设置且支架222的平面与圆柱杆的轴线共面。

输出导线223设置在压电柔性带221靠近圆柱杆21的一侧，压电柔性带221与输出导线223连接，通过输出导线223输出交流电。

当PVDF压电薄膜2211为单层时，输出导线223为2根，一根输出导线223的一端与PVDF压电薄膜2211的上表面连接，另一端为第一输出端；另一根输出导线223的一端与PVDF压电薄膜2211的下表面连接，另一端为第二输出端。

当PVDF压电薄膜2211设置为多层时，依次设置的PVDF压电薄膜2211之间设置有连接导线224，第一根连接导线224的一端与第一张PVDF压电薄膜2211的下表面连接，另一端与第二张PVDF压电薄膜2211的上表面连接，第二根连接导线224的一端与第二张PVDF压电薄膜2211的下表面连接，另一端与第三张PVDF压电薄膜2211的上表面连接，以此类推，使用连接导线224对依次设置的PVDF压电薄膜2211进行连接；输出导线223仍为2根，设置在任一张PVDF压电薄膜2211上，一根输出导线223的一端与PVDF压电薄膜2211的上表面连接，另一端为第一输出端；另一根输出导线223的一端与PVDF压电薄膜2211的下表面连接，另一端为第二输出端。

测速模块23通过连接输出导线223的第一输出端和第二输出端而与压电单元22相连接，用于检测输出电流的频率，通过计算得出环境流体的流速。

整流稳压模块24，通过连接输出导线223的第一输出端和第二输出端而与压电单元22相连接，用于将压电单元22产生的交流电转换成直流电。

蓄电池25，与整流稳压模块24相连，用于存储直流电。

实施例的另外一种连接方式是：

整流稳压模块24与测速模块23连接，用于将压电单元22产生的交流电转换成直流电，蓄电池25与整流稳压模块24相连，用于存储直流电。

一种使用上述柔性涡流摆动能量的捕获与测量流体流速的装置的测量方法，用来测量空气的流速，首先将压电单元22和测速模块23布置好,然后按照以下步骤操作：

S1，将测速模块23与压电单元22的输出导线223相连接，获得压电单元22输出的交流电；

S2，检测并获得交流电的频率；

S3，获取涡街频率f，该涡街频率f等于获得的交流电的频率；

S4，根据公式U＝fd/St计算得出环境流体的流速；

其中，f为涡街频率，d为圆柱杆的直径，St为斯托拉哈常数，取值0.21；

S5，根据S4中公式计算得出的空气流速结果显示在测速模块23的屏幕上。

实施的作用与效果

根据本实施所涉及的一种柔性涡流摆动能量的捕获与测量流体流速的装置，其特征在于，包括：固定支架；以及与流体的流动方向平行且与固定支架可转动连接的能量捕获部，其中，能量捕获部包括与固定支架转动连接的圆柱杆和压电单元，压电单元包括具有至少一层PVDF压电薄膜的压电柔性带和输出导线，压电柔性带的一端与圆柱杆固定连接，另一端为活动端，压电柔性带与输出导线连接输出压电单元产生的交流电；能量捕获部还包括测速模块，测速模块通过输出导线与压电单元相连，用于检测输出电流的频率，通过计算得出环境流体的流速。

另外，能量捕获部还包括测速模块，测速模块通过输出导线与压电单元相连，用于检测输出电流的频率，通过计算得出环境流体的流速。

进一步地，压电柔性带为多层PVDF压电薄膜与多层PE膜相互间隔叠合而成，增加的PVDF压电薄膜用于增加发电量，而增加的PE膜用于PVDF压电薄膜之间的绝缘并对整个压电柔性带增加一定的强度。

更进一步地，压电柔性带呈矩形，在压电柔性带顶面和底面的两侧分别设置有加强条带，该加强条带用于夹紧压电柔性带，从而使得压电柔性带中的PVDF压电薄膜与PE膜贴合，增加了压电柔性带的整体性，使得卡门涡街对柔性压电膜的作用更集中，从而提高了柔性压电膜发电的效率。

更进一步地，能量捕获部还包括：整流稳压模块，通过输出导线与压电单元相连，用于将压电单元产生的交流电转换成直流电，蓄电池，与整流稳压模块相连，用于存储直流电，具有将空闲时发的电进行利用的有益效果。