一种自供电风向仪的制作方法

本发明属风力测量技术领域，具体涉及一种自供电风向仪。

背景技术：

风向风速测量技术在气象、民航、公路与桥梁及采矿等行业都有广泛的应用需求。目前，用于风向风速测量的新型传感器、数据采集与处理技术等都取得了长足的发展，其中便携式数字式风速测量仪在工业生产中已获得广泛的实际应用。然而，野外自然环境中风向风速测量方面还有一些急需解决的关键问题，如数据采集、处理及持续远程传输的能量供应问题，测量系统的低风速启动问题，等等。

技术实现要素：

本发明提出一种自供电风向仪，本发明采用的实施方案是：摆盘的盘体上方设有半轴并经螺钉安装有传感器，盘体下方的中心处设有带螺纹孔的凸台、外缘处设有环台，摆盘的盘体下方经螺钉安装有电路板，电路板上设有能量转换电路、运算处理电路与信息发射系统；传感器均布在以半轴中心为圆心的圆周上，传感器由等厚的镍基板与压电膜粘接而成，压电膜的直径与镍基板可变形部分的直径之比为0.8，压电膜朝下安装；帆架由相互垂直的套筒和底盘构成，套筒套在半轴上并可绕半轴转动，套筒上安装有帆布；帆架的底盘经一组滚珠压在摆盘的盘体上，滚珠置于底盘的沉孔内并可转动；帆架的底盘下方镶嵌有两个磁铁，磁铁中心与传感器中心位于同一圆周上，磁铁对称安装在半轴两侧。

外壳体经螺钉安装在底座上，激励器的连接板经螺钉安装在底座凸台上，激励器的连接板上设有摆杆，摆杆上端设有激励盘，激励盘上方设有螺柱，螺柱与摆盘的凸台经螺纹相连接，外壳体上端置于摆盘的环台内；底座凸台的侧壁上经压板和螺钉均布地安装有发电单元，发电单元由片簧及其两侧对称配置的压电振子构成，片簧及压电振子的一端经压板压接在底座凸台的侧壁上，片簧的自由端与激励盘外缘接触但无相互作用力；压电振子由基板和压电片粘接而成，基板自由端设有翻边，基板靠近片簧安装且基板自由端的翻边顶靠在片簧上。

本发明中，压电振子安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，非工作时压电片上所承受的最大压应力为其许用值的一半，压电振子上两层结构端部的变形量为其许用值的一半，即其中：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和h分别为基板的厚度和压电振子总厚度，em和ep分别为基板和压电片的杨氏模量，k31和分别为压电陶瓷材料的机电耦合系数和许用压应力，l为压电振子两层结构部分的悬臂长度。

环境中有风吹过时，帆布与风的耦合作用将迫使帆架、摆盘及激励器摆动，再经激励盘及片簧的相互作用使压电振子的状态发生变化：片簧弯曲变形时，片簧一侧压电振子变形量增加、另一侧压电振子变形量减小，当激励器的摆杆变形过大并使摆盘的环台与外壳体相接触时，变形量逐渐增加的压电振子变形量小于其许用值；压电振子变形量交替增加与减小的过程中压电片的应力交替地增加和减小，从而将机械能转换成电能，此为压电发电过程；所生成的电能经导线传输到电路板上，经转换处理后用于风向信号的处理计算与发射。

环境中的风向发生变化时，帆布将带动帆架及磁铁绕摆盘的半轴转动，从而改变各传感器与磁铁的相对位置、使各传感器上镍基板的变形量及压电膜上的电压值发生变化，与磁铁距离近的传感器的电压高、远的传感器的电压弱或无电压，故本发明根据各传感器电压信号的强弱及有无确定风向，所获得的风向变化信息经电路板上的信息发射系统发射出去。

优势与特色：结构简单、启动风速低，所需能量自给、无需化学电池和铺设电缆；压电振子自身无附加质量、基频高，可确保工作在一阶模态下，发电效果好；系统基频易通过片簧刚度加以调整；工作中压电振子仅承受单向激励、产生单向弯曲变形、压电片仅承受压应力且激励距离可控，故可靠性高。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中风向仪的结构示意图；

图2是本发明一个较佳实施例中帆架的结构示意图；

图3是图2的俯视图；

图4是图1的a-a剖视图；

图5是图1的i部视图；

图6是本发明一个较佳实施例中激励器的结构示意图。

具体实施方式

摆盘a的盘体a1上方设有半轴a2、经螺钉安装有传感器b，盘体a1下方的中心处设有带螺纹孔的凸台a3、外缘处设有环台a4，盘体a1下方经螺钉安装有电路板y，电路板y上设有能量转换电路、运算处理电路与信息发射系统；传感器b均布在以半轴a2中心为圆心的圆周上，传感器b由等厚的镍基板b1与压电膜b2粘接而成，压电膜b2的直径与镍基板b1可变形部分的直径之比为0.8，压电膜b2朝下安装；帆架c由相互垂直的套筒c1和底盘c2构成，套筒c1套在半轴a2上并可绕半轴a2转动，套筒c1上安装有帆布d；帆架c的底盘c2经一组滚珠e压在摆盘a的盘体a1上，滚珠e置于底盘c2的沉孔内并可转动；帆架c的底盘c2下方镶嵌有两个磁铁f，磁铁f的中心与传感器b的中心位于同一圆周上，磁铁f对称安装在半轴a2的两侧。

外壳体h经螺钉安装在底座g上，激励器i的连接板i1经螺钉安装在底座凸台g1上，激励器i的连接板i1上设有摆杆i2，摆杆i2上端设有激励盘i3，激励盘i3上方设有螺柱i4，螺柱i4与摆盘a的凸台a3经螺纹相连接，外壳体h的上端置于摆盘a的环台a4内；底座凸台g1的侧壁上经压板j和螺钉均布地安装有发电单元e，发电单元e由片簧m及其两侧对称配置的压电振子k构成，片簧m及压电振子k的一端经压板j压接在底座凸台g1的侧壁上，片簧m的自由端与激励盘i3的外缘接触但无相互作用力；压电振子k由基板k1和压电片k2粘接而成，基板k1自由端设有翻边k3，基板k1靠近片簧m安装且基板k1自由端的翻边k3顶靠在片簧m上。

本发明中，压电振子k安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，非工作时压电片k2上所承受的最大的压应力为其许用值的一半，压电振子k上两层结构端部的变形量为其许用值的一半，即其中：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和h分别为基板k1的厚度和压电振子k总厚度，em和ep分别为基板k1和压电片k2的杨氏模量，k31和分别为压电陶瓷材料的机电耦合系数和许用压应力，l为压电振子k两层结构部分的悬臂长度。

工作中环境的风向及风速变化时，帆布d受风力作用将迫使帆架c转动及激励器i的摆动，从而实现风力发电及风向的自动测量，过程如下：

环境中有风吹过时，帆布d与风的耦合作用将迫使帆架c、摆盘a及激励器i摆动，再经激励盘i3及片簧m的相互作用使压电振子k的状态发生变化：片簧m弯曲变形时，片簧m一侧压电振子k的变形量增加、另一侧压电振子k的变形量减小，当激励器i的摆杆i2变形过大并使摆盘a的环台a4与外壳体h相接触时，变形量逐渐增加的压电振子k的实际变形量小于其许用值；压电振子k变形量交替增加与减小的过程中压电片k2的应力交替地增加和减小，从而将机械能转换成电能，此为压电发电过程；所生成的电能经导线传输到电路板y上，经转换处理后用于风向信号的处理计算与发射。

环境中的风向发生变化时，帆布d将带动帆架c及磁铁f绕摆盘a的半轴a2转动，从而改变各传感器b与磁铁f的相对位置、使各传感器b上镍基板b1的变形量及压电膜b2上的电压值发生变化，与磁铁f距离近的传感器b的电压高、远的传感器b的电压弱或无电压，故本发明根据各传感器b电压信号的强弱及有无确定风向，所获得的风向变化信息经电路板y上的信息发射系统发射出去。