一种压电‑电磁混合式流体俘能器的制作方法

本发明属发电领域，具体涉及一种压电-电磁混合式流体俘能器，为河流监测系统供电。

背景技术：

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》中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，针对防洪及造成泥石流等自然灾害的雨量、水位以及河道水流速度监测技术等多方面。虽然目前所提出的某些监测方法在技术层面已较成熟，但尚未得到推广应用，其主要原因之一是监测系统供电问题未得到很好的解决。

技术实现要素：

本发明提出一种压电-电磁混合式流体俘能器，本发明采用的实施方案是：壳体的侧壁端部经螺钉安装有端盖，壳体的底壁内侧镶嵌有线圈、外侧设有上下耳板，上下耳板间安装有两个导柱；钝体由柱体、钝体凸台及钝体侧板构成，柱体为空心椭圆柱体或流线型柱体，钝体侧板经其上的轴孔套在导柱上，压簧压在钝体侧板上下两侧，压簧套在导柱上；钝体凸台上经螺钉安装有磁条，磁条靠近壳体的底壁安装；设有两个框架耳板的框架底板经螺钉安装在端盖上；激励器上设有上下平面、左右弧面、凹槽、凸台、轴孔和销孔，左右弧面及轴孔同心，上下平面相互平行且相对轴孔对称，轴孔与销孔的轴线相互平行，凹槽和销孔置于左弧面一侧，凸台置于右弧面一侧，凸台上经螺钉安装有磁块；激励器的轴孔套在转轴上，转轴两端固定在框架耳板上；长销两端安装在框架耳板上，短销两端置于激励器的销孔内，拉簧两端分别连接在长销和短销上；框架底板上下两侧都经螺钉和压板安装有换能器，换能器为由基板和压电膜粘接而成的压电换能器，基板靠近框架底板安装，换能器自由端顶靠在激励器的上平面或下平面上，换能器的右侧端面与转轴的中心位于同一平面内；换能器安装前为平直结构、安装后且非工作状态下不发生弯曲变形。

换能器自由端与激励器左右弧面相切时变形量最大，此时压电膜上最大压应力小于其许用值、换能器端部弯曲变形量小于许用值

其中：b＝1-α+αβ，a＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6α²(1-β)-4α(1-β)+1，α＝hm/h，β＝em/ep，hm为基板厚，h为换能器总厚，em和ep分别为基板和压电膜材料的杨氏模量，k31和分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，l为换能器长度。

非工作状态下，即流体不流动、钝体静止时，激励器在其自身及磁块的重力、磁条与磁块间磁力及拉簧弹性力的作用下处于平衡状态，框架底板上下两侧换能器的自由端顶靠在激励器上平面或下平面上，两个换能器都不发生弯曲变形；工作时，即有流体流过钝体时，钝体受到流体施加的上下交变的作用力并带动磁条一起沿着导柱往复移动，磁条经与磁块的耦合作用力使激励器绕着转轴转动；激励器绕转轴沿顺时针及逆时针转动时，换能器端部变形量及压电膜上的压应力都逐渐增加，当换能器与激励器的左弧面或右弧面相切时变形量最大；相反，激励器复位过程中，换能器端部变形量及压电膜上的压应力都逐渐减小，换能器与激励器的上下平面平行时换能器变形量及压电膜上的压应力为零；上述压电膜上压应力的交替增加与减小过程中即将机械能转换成了电能，此过程为压电发电；同时，磁条沿导柱上下往复移动、磁块绕转轴往复摆动时，线圈切割磁力线并将机械能转换成电能，此过程为电磁发电。

本发明中，换能器自身为一个弹簧质量系统，拉簧与激励器及磁块构成一个弹簧质量系统，钝体、磁条与压簧构成一个弹簧质量系统，故总体为三自由度系统、有效频带宽；本发明中，流体速度较低、钝体往复振动频率较低时压电发电能力强，流体速度较高、钝体往复振动频率较高时电磁发电能力强；压电发电与电磁发电的有机结合有助于俘能器的发电能力、拓宽频带。

优势与特色：①压电和电磁俘能单元分别适于低频和高频发电，且压电俘能单元为3自由度系统，故有效频带宽、流速适应性强；②压电换能器变形量由激励器控制且压电膜仅承受压应力，可靠性高；③利用钝体所受流体升力产生自激振动，结构简单、低速时也有较好的激励效果。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中俘能器的结构示意图；

图2是图1的a-a剖视图；

图3是本发明一个较佳实施例中激励器的结构示意图；

图4是图3的左视图。

具体实施方式

壳体a的侧壁a1端部经螺钉安装有端盖b，壳体a的底壁a2内侧镶嵌有线圈c、底壁a2外侧设有上耳板a3和下耳板a4，上耳板a3和下耳板a4之间安装有两个导柱d；钝体e由柱体e1、钝体凸台e2及钝体侧板e3构成，柱体e1为空心的椭圆柱体或流线型柱体，钝体侧板e3经其上的轴孔套在导柱d上，压簧f压在钝体侧板e3上下两侧，压簧f套在导柱d上；钝体凸台e2上经螺钉安装有磁条g，磁条g靠近壳体a的底壁a2安装；设有两个框架耳板h1的框架底板h经螺钉安装在端盖b上；激励器i上设有上平面i1、下平面i2、左弧面i3、右弧面i4、凹槽i5、凸台i6、轴孔i7和销孔i8，左弧面i3、右弧面i4及轴孔i7同心，上平面i1和下平面i2相互平行且相对轴孔i7对称，轴孔i7与销孔i8的轴线相互平行，凹槽i5和销孔i8置于左弧面i3一侧，凸台i6置于右弧面i4一侧，凸台i6上经螺钉安装有磁块p；激励器i经轴孔i7套在转轴j上，转轴j的两端固定在框架耳板h1上；长销k两端安装在框架耳板h1上，短销k’两端置于激励器i的销孔i8内，拉簧o的两端分别连接在长销k和短销k’上；框架底板h的上下两侧都经螺钉和压板m安装有换能器n，换能器n为由基板n1和压电膜n2粘接而成的压电换能器，基板n1靠近框架底板h安装，换能器n的自由端顶靠在激励器i的上平面i1或下平面i2上，换能器n的右侧端面与转轴j的中心位于同一平面内；换能器n安装前为平直结构、安装后且非工作状态下不发生弯曲变形。

换能器n自由端与激励器i的左弧面i3或右弧面i4相切时变形量最大，此时压电膜n2上的最大压应力小于其许用压应力、换能器n端部的弯曲变形量不大于许用值

其中：b＝1-α+αβ，a＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6α²(1-β)-4α(1-β)+1，α＝hm/h，β＝em/ep，hm为基板n1的厚度，h为换能器n的总厚度，em和ep分别为基板n1和压电膜n2材料的杨氏模量，k31和分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，l为换能器n的长度。

非工作状态下，即流体不流动、钝体e静止时，激励器i在其自身及磁块p的重力、磁条g与磁块p间磁力及拉簧o弹性力的作用下处于平衡状态，框架底板h上下两侧换能器n的自由端顶靠在激励器i的上平面i1或下平面i2上，两个换能器n都不发生弯曲变形；工作时，即有流体流过钝体e时，钝体e受到流体施加的上下交变的作用力并带动磁条g一起沿着导柱d往复移动，磁条g经与磁块p耦合作用使激励器i绕着转轴j转动；激励器i绕转轴j沿顺时针及逆时针转动时，换能器n端部变形量及压电膜n2上的压应力都逐渐增加，当换能器n与激励器i的左弧面i3或右弧面i4相切时变形量最大；相反，激励器i复位过程中，换能器n端部变形量及压电膜n2上的压应力都逐渐减小，换能器n与激励器i的上平面i1和下平面i2相平行时换能器n变形量及压电膜n2上的压应力为零；上述压电膜n2上压应力的交替增加与减小过程中即将机械能转换成了电能，此过程为压电发电；同时，磁条g沿导柱d上下往复移动、磁块p绕转轴j往复摆动时，线圈c切割磁力线并将机械能转换成电能，此过程为电磁发电。

本发明中，换能器n自身为一个弹簧质量系统，拉簧o与激励器i及磁块p构成一个弹簧质量系统，钝体e、磁条g与压簧f构成一个弹簧质量系统，故总体为三自由度系统、有效频带宽；本发明中，流体速度较低、钝体e往复振动频率较低时，压电发电能力强；流体速度较高、钝体e往复振动频率较高时，电磁发电能力强；压电发电与电磁发电的有机结合有助于提高俘能器的发电能力、拓宽频带。