一种水流致振俘能器的制作方法

本发明属于发电技术领域，具体涉及一种水流致振俘能器，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，但尚未得到大面积的推广应用，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：

本发明提出一种水流致振俘能器，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、底壁外侧设有上下耳板，两个长销的两端分别固定在上下耳板上；扰流体由空心的柱体、置于柱体外表面上的凸台及置于柱体两端的侧板构成，侧板套在长销上，每个长销上都套有两个压簧，压簧压在侧板上下两侧；凸台上经螺钉安装有磁条，磁条靠近壳体的底壁安装；框架上设有框架底板、两个内耳板和两个外耳板，框架底板经螺钉安装在端盖上；激励器的摇臂左端设有两个摇臂耳板、前后两侧设有凸轮、右端经螺钉安装有磁块，摇臂的轴孔套在转轴上，转轴的两端分别固定在两个外耳板上；内耳板和摇臂耳板上都安装有销轴，拉簧两端分别连接在两个销轴上；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凸轮上；凸轮的轮廓曲线包含与轴孔同心的两段圆弧轮廓，圆弧轮廓是凸轮的轮廓曲线上距轴孔中心距离最短的；换能器安装前为平直结构、安装后为弯曲结构且换能器自由端与凸轮的轮廓顶点相互接触；轮廓顶点位于轴孔的左侧，轮廓顶点是凸轮的轮廓曲线上距离轴孔中心距离最长的点，换能器与轮廓顶点相接触时的变形量最大，凸轮绕转轴顺时针或逆时针转动时换能器自由端的变形都减小；换能器自由端与圆弧轮廓相接触时换能器不发生弯曲变形，压电膜上的应力相等且均为零。

换能器自由端与凸轮的轮廓顶点相互接触时，压电膜上的最大压应力小于其许用压应力，此时换能器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为基板厚度，h为换能器总厚度，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为换能器的长度。

非工作状态下，即流体不流动、扰流体静止时，激励器在其自身重力、磁条与磁块间磁力及拉簧弹性力作用下处于平衡状态，框架底板上下两侧换能器都与凸轮顶点接触，两个换能器的变形及应力分布状态分别相同；工作时，即有流体流过扰流体时，扰流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长销往复移动，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减小，当换能器与圆弧轮廓接触时换能器的变形量为零；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增加，当换能器自由端与凸轮的轮廓顶点相互接触时换能器变形量及压电膜上的压应力达到最大；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，磁条沿长销往复移动、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，扰流体、磁铁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、扰流体往复振动频率较低时，压电发电能力强；流体速度较高、扰流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提高俘能器的发电能力、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利用扰流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的俯视图；

图5是本发明一个较佳实施例中框架的结构示意图。

具体实施方式

壳体a的侧壁al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a4，两个长销d的两端分别固定在上耳板a3和下耳板a4上；扰流体e由空心的柱体e1、置于柱体e1外表面上的凸台e2及置于柱体e1两端的侧板e3构成，侧板e3套在长销d上，每个长销d上都套有两个压簧f，压簧f压在侧板e3的上下两侧；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；框架h上设有框架底板h1、两个内耳板h2和两个外耳板h3，框架底板h1经螺钉安装在端盖b上；激励器i的摇臂i1左端设有两个摇臂耳板i2、前后两侧设有凸轮i4、右端经螺钉安装有磁块p，摇臂i1的轴孔i5套在转轴j上，转轴j的两端分别固定在两个外耳板h3上；内耳板h2和摇臂耳板i2上都安装有销轴k，拉簧o的两端分别连接在两个销轴k上；框架底板h1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h1安装，换能器n的自由端顶靠在凸轮i4上；凸轮i4的轮廓曲线包含与轴孔i5同心的两段圆弧轮廓i6和i7，圆弧轮廓i6和i7是凸轮i4的轮廓曲线上距轴孔i5中心距离最短的；换能器n安装前为平直结构、安装后为弯曲结构且换能器n自由端与凸轮i4的轮廓顶点t相互接触；轮廓顶点t位于轴孔i5的左侧，轮廓顶点t是凸轮i4的轮廓曲线上距离轴孔i5中心距离最长的点，换能器n与轮廓顶点t相接触时的变形量最大，凸轮i4绕转轴j顺时针或逆时针转动时换能器n自由端的变形都减小；换能器n自由端与圆弧轮廓i6和i7相接触时换能器n不发生弯曲变形，压电膜n2上的应力相等且均为零。

换能器n自由端与凸轮i4的轮廓顶点t相互接触时，压电膜n2上的最大压应力小于其许用压应力，此时换能器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、扰流体e静止时，激励器i在其自身重力、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h1上下两侧换能器n都与凸轮顶点t接触，两个换能器n的变形及应力分布状态分别相同；工作时，即有流体流过扰流体e时，扰流体e受到流体施加的上下交变的作用力并带动磁条g一起沿着长销d往复移动，磁条g经与磁块p的耦合作用力使激励器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上的压应力都逐渐减小，当换能器n与圆弧轮廓i6或i7接触时换能器n的变形量为零；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上的压应力都逐渐增加，当换能器n自由端与凸轮i4的轮廓顶点t相互接触时换能器n变形量及压电膜n2上的压应力达到最大；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沿长销d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，扰流体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、扰流体e往复振动频率较低时，压电发电能力强；流体速度较高、扰流体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。