本发明涉及一种涵道式多支撑梁压电-电磁复合宽频能量采集装置，可以高效地采集不同频带段的桥面振动或高速气流致振动能量，该装置可以为用于桥梁结构健康监测的无线传感器节点供电。
背景技术：
结构健康监测指对桥梁等建筑物的构件工作状态、结构物理状态进行实时监测。随着桥梁跨度的不断提高，为保证监测数据的实时性和全面性，对传感器的数量和安装位置都有一定要求，导致后期传感器节点电池的更换和维护会面临较大困难。能量采集技术可以代替传统电池解决低功耗无线传感器供电问题，提升桥梁结构健康无线监测系统的稳定性和工作寿命。
目前振动能量采集技术主要分为三类：电磁式、压电式和静电式，其中电磁式和压电式使用较为广泛。电磁式能量采集系统结构简单、输出电流大但输出电压低且工作频段较低；压电式能量采集系统输出电压高、易集成但电源内阻大且工作频段较高。大跨度桥梁结构振动的诱因呈现多样化，包括车辆行驶导致的桥面振动以及高空自然风导致的桥梁拉索振动等，目前单一形式的能量采集系统存在工作频带较窄、无法自适应不同的振动环境、能量采集效率较低等缺点。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：提供适于采集桥面低频振动以及高空气流致高频振动的工作频带宽、谐振频率可调、能量利用效率高的压电-电磁复合能量采集装置。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种涵道式压电-电磁复合宽频能量采集装置，其包括：
空腔柱体，其内部中空，具有开口端及安装座，且通过所述安装座固定至安装表面；
至少一个悬浮式电磁采集模块，其分别由至少两个压电支撑梁的一端支撑在所述空腔柱体内，所述压电支撑梁的另一端固定在所述空腔柱体内壁上，所有悬浮式电磁采集模块的中轴线与空腔柱体中轴线对准，当悬浮式电磁采集模块有两个以上时，间隔排列。
优选地，每一压电支撑梁上设有能够在压电支撑梁上滑动的质量块，从而改变压电支撑梁的谐振频率。
优选地，所述至少两个压电支撑梁相对于悬浮式电磁采集模块对称排列。
优选地，所述至少两个压电支撑梁相对于悬浮式电磁采集模块对称排列包括所述至少两个压电支撑梁围绕悬浮式电磁采集模块以等夹角方式排列。
优选地，不同悬浮式电磁采集模块的压电支撑梁在空腔柱体径向方向上相对于彼此偏置，以减少压电支撑梁在空腔柱体轴线方向上的相互遮蔽，从而使前一层压电支撑梁处的气流衰减不会过多影响后一层压电支撑梁处的流固耦合激励。
优选地，所述至少两个压电支撑梁为四个压电支撑梁，相邻压电支撑梁形成90度夹角。
优选地，所述开口端呈喇叭状。
优选地，所述悬浮式电磁采集模块包括电磁谐振壳体、线圈、上固定永磁体、可移动永磁体、下固定永磁体，其中上固定永磁体和下固定永磁体分别固定在电磁谐振壳体两端，线圈设置在电磁谐振壳体中段，可移动永磁体在上固定永磁体和下固定永磁体的磁极互斥作用下悬浮在电磁谐振壳体内，在受外力作用时在线圈内运动。
优选地，所述空腔柱体为圆柱形。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1)采用压电和电磁复合式的能量采集方案，有效利用从几赫兹到几百赫兹频域范围内的机械振动，提高了能量采集效率；2)结合桥梁工程的设计特点，提出了能够有效利用桥面低频振动以及高空气流致高频振动的复合式空腔设计；3)内部采用悬浮式电磁谐振单元，减少了振动时的摩擦损耗和噪声；4)在压电支撑梁上安置质量滑块，通过改变支撑梁的质量分布来改变整个能量采集装置的谐振频率，更好地与不同风速条件下的流致振动进行能量耦合；5)采用多层式压电梁彼此偏置排列设计，合理分配了整个装置的质量分布，同时也对进入空腔的高速气流进行了多次利用。
附图说明
图1是本发明的涵道式压电-电磁复合宽频能量采集装置的不同安装方式的能量采集流图；
图2是本发明的涵道式压电-电磁复合宽频能量采集装置的立体图；
图3是本发明的涵道式压电-电磁复合宽频能量采集装置的部分剖视图；
图4是本发明的涵道式压电-电磁复合宽频能量采集装置的俯视图；
图5是本发明的涵道式压电-电磁复合宽频能量采集装置的仰视图；
图6是本发明的悬浮式电磁采集模块的结构示意图；
图7是本发明的涵道式压电-电磁复合宽频能量采集装置的一种安装方式的示意图；
图8是本发明的涵道式压电-电磁复合宽频能量采集装置的另一种安装方式的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述，所述实施方式的示例在附图中示出，下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
图2和图3图示支撑梁式压电-电磁复合宽频能量采集装置，其包括带底座的空腔柱体2、压电支撑梁3、可滑动质量块4、悬浮式电磁谐振单元5等部分。四片压电支撑梁3一端固定在空腔柱体2内壁上，另一端和悬浮式电磁谐振单元5连接，可滑动质量块4嵌套在压电支撑梁上并可以自由滑动，悬浮式电磁谐振单元5可等效于固定质量块，振动时带动支撑梁上的压电双晶片，自身也可以通过电磁感应效应采集能量。当受到外界激励产生振动时，压电双晶片主要用于采集中高频能量，电磁谐振单元主要用于采集低频能量，从而实现装置的宽频能量采集。压电支撑梁使用四片并联输出端的压电双晶片，嵌套在压电双晶片支撑梁上的可滑动质量块4可以根据实际振动情况调整其位于压电支撑梁上的位置，从而改变压电支撑梁的质量分布，起到调节压电支撑梁谐振频率的效果。
悬浮式电磁谐振单元的结构如图6所示，包括电磁谐振壳体51、线圈、上固定永磁体53、可移动永磁体54、下固定永磁体55，其中，上固定永磁体53和下固定永磁体55分别固定在电磁谐振壳体51两端，线圈设置在电磁谐振壳体51中段，该电磁谐振单元采用磁极互斥的方法，利用磁体间的斥力来代替弹簧结构，使可移动永磁体54悬浮在电磁谐振壳体51中，避免弹簧疲劳带来的损耗，提高系统可靠性；改变磁体型号就可改变电磁谐振单元内磁体直接的斥力和刚度系数，可选用不同型号的磁体来改善采集效率。
在如图4和图5所示的实施例中，每个悬浮式电磁谐振单元配有四片压电支撑梁3，压电支撑梁间夹角均为90度，但本发明不限于此，只要能够保持结构稳定，本发明可采用其它数目的压电支撑梁且夹角可不同。
在实施例中，整个压电-电磁复合宽频能量采集装置外形为涵道式空腔圆柱体结构，一个开口端带有喇叭状的集风口6，另一端为带螺孔的可固定底座7，如图4和图5所示，为了提高通过涵道内气流的能量转换效率，采用双层式设计。如图所示，两层压电支撑梁3的布置角度相差45度，当高速气流从集风口进入冲击第一层压电支撑梁产生高频振动后，腔内的气流的速度降低，和第二层压电支撑梁接触，再次利用残余气流能量。当然，涵道内亦可采用两层以上压电支撑梁3及悬浮式电磁谐振单元5。而且，各层压电支撑梁3的偏置角度可不同于45度，只要可保证一层的气流衰减不会过多影响后续层的压电支撑梁的流固耦合激励便可。
按照采集能量目标的不同，可以有两种安装方式，安装方式(1)：当需要采集以桥面低频振动为主的能量时，可以通过可固定底座铆接在桥面上(如图7所示)，当车辆经过桥面时，低频振动通过底座传递到压电支撑梁以及悬浮式电磁谐振单元中，通过压电效应以及电磁感应效应(主采集方式)将振动能转换成机械能；安装方式(2)：当需要采集以高空高速气流为主的高频能量时，可以将该能量采集装置安装在高空桥梁钢架或者拉索上(如图8所示)，将集风口面朝气流来向，当进入空腔的气流冲击压电支撑梁时，可以产生较高频率的机械振动，通过压电效应(主采集方式)和电磁感应效应将机械能转换为电能。
桥梁有车辆通过或者外界气流作用于采集装置时，压电支撑梁时都能够产生不同频段的振动，所产生的低频能量通过采集装置中电磁单元进行收集，振动产生的高频能量则由压电支撑梁进行收集，从而实现宽频能量采集；压电支撑梁上嵌套的可滑动质量块可根据实际外界振动调整位置，从而改变装置的谐振频率，提高采集效率，不同安装方式的能量采集流图如图1所示。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。