浮桥监测系统自维持圆薄板式压电发电装置的制造方法

文档序号:9977385
浮桥监测系统自维持圆薄板式压电发电装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及压电材料能量转化与收集技术领域,尤其涉及一种高承载的、能有效收集低频振动能量和冲击能量的浮桥监测系统自维持圆薄板式压电发电装置。
【背景技术】
[0002]浮桥是一个复杂的大型结构,对其健康状态、损伤情况等状态进行监测需要布置大量测点。如采用传统有线供电与通信的信号获取方式,将给浮桥增加不可忽略的额外重量。利用无线传感器网络对浮桥结构进行大范围分布式监测,将大大增强监测系统的可靠性和实效性。无线传感器是传感器网络的基本组成部分,由于其体积微小,自身携带的电池能量有限,而且无线传感器具有数量多、分布区域广、部署环境复杂等特点,很难通过更换电池的方式获取能量。而且化学电池长期储存性能较差,特别是在较低温度下,化学电池内部的化学反应往往不能发生或者发生不完全,从而导致不能正常工作。可见,传统供电方式已经逐渐成为制约无线传感器网络技术发展的一个重要因素,新型供电技术研究势在必行。
[0003]由于无线传感器在浮桥工作环境中主要存在的是低频振动、非连续冲击能等机械能量,而压电材料能够利用本身的正压电效应直接将机械能转换为电能,所以可以将压电材料设计成压电发电装置为无线传感器供电。同时,压电发电装置具有激活速度快、环境适应性强、长期储存性能好、结构简单、易实现小型化、成本低廉等特点,可见,压电发电装置非常适合作为专用物理电源使用。近年来,压电发电技术由于其自身的优点,在嵌入式MEMS、收集环境能等方面呈现出广阔的应用潜力。而随着材料技术发展尤其是压电材料压电系数的大幅提升,以及微功耗电子元器件的广泛应用,使得压电发电装置的设计与研制逐渐成为一个热点研究方向。
[0004]然而,现有压电发电装置仍然普遍存在发电量小、供电时间短等缺点,导致难以真正实现其持续供电的能力。分析主要原因是由于其发电单元压电换能器的机电转换效率是有限的,且现有压电发电装置的发电方式是通过外部机械载荷一次性作用于压电换能器以使其产生电能,外部载荷的瞬时性增加了压电换能器机电转换及电能收集管理的难度,从而进一步降低了压电发电装置的机电转换能力。为弥补以上不足,需要设计新型结构,以将外部载荷的瞬态冲击能转换为持续振动能,以延长外部载荷对压电换能器的作用时间。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型要解决的技术问题是提供一种浮桥监测系统自维持圆薄板式压电发电装置,能够实现持续供电的需求。
[0006]为了解决上述技术问题,本实用新型包括密闭外壳,所述外壳靠近底部的内壁开有两个凹槽,两块压电圆薄板以简支支撑方式固定在这两个凹槽内部,两块压电圆薄板的电极并联连接在一起,并分别与设置在外壳上的输出电极相连接,所述压电圆薄板的中心轴处还设置有机械能量收集与传递装置。
[0007]所述机械能量收集与传递装置包括由设置在外壳内部两端的伸展平台之间的弹簧,所述弹簧的两端分别固定在外壳内部两端伸展平台的表面,所述弹簧还与质量块固定连接,所述质量块上下两端中央位置嵌有激励连杆。
[0008]本实用新型在传统压电换能器的基础上增加了以弹簧-质量块组件为核心的机械能量收集与传递机构,它可以将工作环境中存在的外部机械载荷转换为弹簧-质量块组件的自维持振动能量形式,从而使弹簧-质量块组件对压电换能器实施重复激励,从而延长了机械载荷的持续效果并相应延长了压电换能器维持机电转换的时间,提高了对外部机械能量的收集效率,最终在很大程度上延长了自维持圆薄板式压电发电装置的供电时间。
【附图说明】
[0009]图1是自维持圆薄板式压电发电装置结构图;
[0010]图2是弹簧-质量块组件剖视图;
[0011 ]图3质量块组件结构图;
[0012]图4是弹簧剖视图;
[0013]图5是压电圆薄板结构图;
[0014]图6是压电圆薄板支撑方式示意图。
【具体实施方式】
[0015]本实用新型所列举的实施例,只是用于帮助理解本实用新型,不应理解为对本实用新型保护范围的限定,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本实用新型思想的前提下,还可以对本实用新型进行改进和修饰,这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求保护的范围内。
[0016]如图1所示,本实用新型包括由上外壳与下外壳通过旋拧固接方式组成圆筒形密闭外壳1,所述上、下外壳靠近底部的内壁分别开有凹槽1-1,两块压电圆薄板4以简支支撑方式固定在这两个凹槽1-1内部。两压电圆薄板4的电极并联连接在一起,并分别与设置在外壳上的输出电极相连接,所述压电圆薄板4的中心轴处还设置有机械能量收集与传递装置。作为本实用新型的优选实施例,所述机械能量收集与传递装置包括由设置在外壳内部伸展平台1-2之间的弹簧3,所述弹簧3的两端分别固定在上、下外壳内部伸展平台1-2的表面,以保证弹簧在轴线方向作自由振动时不发生松动。为了更好的收集外界能量,所述弹簧2还与质量块2固定连接,且在质量块2上下两端中央位置嵌入激励连杆2-1,共同构成如图2所示弹簧-质量块组件5。
[0017]伸展平台1-2与弹簧3末端开相同尺寸圆孔,外壳I内壁与弹簧3外壁之间间隙配合,以防止弹簧-质量块组件5在工作期间出现横向振动或摆动现象,确保弹簧沿外壳的轴线方向运动。自维持圆薄板式压电发电装置利用弹簧-质量块组件5将外部能量转换为振动形式的机械能,在弹簧-质量块组件5的振动过程中,激励连杆5-1将与对应的压电圆薄板4发生重复碰撞,从而激励各压电圆薄板4产生受迫振动,压电圆薄板4在振动过程中由于本身的压电效应产生持续的电能输出。其中,质量块2的作用是为了增强对压电圆薄板4的载荷效果以及调整弹簧-质量块组件5的等效质量。弹簧3则是弹簧-质量块组件5实现预期功能的关键元件,其参数更为重要也较为复杂。进行弹簧参数计算时,一般给出最大工作载荷和所对应的形变量,但是本实用新型中需要进行弹簧-质量块组件5与压电圆薄板4的振动匹配设计,所以必须首先确定弹簧3的刚度系数与最大形变量(当弹簧承受过载荷时,结构设计中的保护机构将限制弹簧进一步变形)。保护机
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