一种自俘能磁电转换智能伸缩缝系统的制作方法

本发明涉及桥梁监测系统领域，具体涉及一种自俘能智能伸缩缝系统。

背景技术：

1、桥梁伸缩缝不仅能够抵抗由于温度次内力、混凝土收缩徐变以及基础的不均匀沉降等等问题造成的桥梁伸缩位移，同时也能承受各种不同车辆荷载的作用，为车辆平稳行驶提供了有利的条件。但由于伸缩缝安装在桥梁的“不连续处”，由于车辆的往复冲击，常常会对伸缩缝造成极大损伤。随着我国交通量的増大，桥梁伸缩缝的损伤或者破坏己经成为我国现役桥梁的主要病害之一。

2、目前检测伸缩缝的常用手段就是人工测量伸缩缝宽度，但鉴于我国大跨度桥梁众多，而且每座桥梁都拥有大量的伸缩缝，导致人工检测的方法效率较低，测量速度慢且结果误差较大。人工检测方法的局限性导致很多病害不能被及时发现和处理，因而加强桥梁伸缩缝监测对于评估桥梁的安全性具有重要作用。。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明针对现有技术存在的不足及未涉及之处，提出了一种自俘能磁电转换智能伸缩缝系统，具体技术方案如下：

2、一种自俘能磁电转换智能伸缩缝系统，包括伸缩缝型钢(3)和能量转换器(1)，所述能量转换器(1)包括磁电转换器(4)、锚固块(5)和机械弹簧杆(6)，所述磁电转换器(4)两端设有锚固块(5)，所述磁电转换器(4)通过两根交叉的机械弹簧杆(6)连接所述锚固块(5)形成整体，交叉处设有可以转动的铰接轴，所述机械弹簧杆(6)可绕轴转动；所述锚固块(5)与所述伸缩缝型钢(3)连接；所述机械弹簧杆(6)的往复运动通过所述磁电转换器(1)将机械能转换为电能，并通过监控电压或电流参数的变化，监控智能伸缩缝的工作状态；

3、所述磁电转换器(4)包括磁电转换器本体和施加在所述磁电转换器本体上的永磁场(9)，所述磁电转换器本体为磁电复合材料，其由两层磁致伸缩材料层夹一层压电材料层组合而成；当机械弹簧杆往复运动引起磁电复合材料与永磁铁形成相对运动，使处于变化磁场中的磁致伸缩材料层被磁化，继而产生应力或应变，并将产生的应力或应变传递给压电材料层，后者在厚度方向被极化，通过正电压效应产生极化电荷，从而将机械能转换为电能；通过监控电压或电流参数的变化，监控智能伸缩缝的工作状态。

4、进一步地，还包括，太阳能发电装置和风能发电装置、功率放大器、低功率能量收集装置、能量收集电路、ups电源、数据采集单元、无线传输单元和监测云平台。

5、进一步地于，所述锚固块利用承插式榫卯连接，两端的榫卯式锚固块与伸缩缝型钢焊接。

6、进一步地，所述压电材料层的材料为压电陶瓷。

7、进一步地，将太阳能和/或风能转化为电能，对系统进行供电，保证系统的供电稳定。

8、进一步地，通过功率放大器把电信号放大，功率放大器输出电流大小可以调节激振器激振力大小，放大信号激励激振器振动，从而带动低功率能量收集装置振动，低功率能量收集装置在振动下输出电压，输出的电压通过低功率能量收集电路进行收集。

9、进一步地于，采用低功率无线分布式采集与传输子系统。

10、进一步地，所述能量收集装置在工作时的等效电路为，当外界振动频率为ω时，此时c为压电材料层内部电容大小，rn为压电材料层内部阻抗大小，输出功率即外接负载rf的消耗功率：

11、pf＝i2rf

12、

13、

14、式中rc＝cω。将上述公式带入求得：

15、

16、化简求得：

17、

18、根据此公式可知当负载rf消耗功率最大，即压电材料层输出功率达到最大：

19、

20、可以得到输出效率与压电材料层的内阻和外界负载的和成反比，与电压的平方成正比关系，通过选择合适的外接负载并增大输出电压可以提高输出效率。

21、进一步地，能量收集电路连接无线传输单元并提供能量，同时数据采集单元也连接在无线传输单元将采集到的信号发送到接收终端，接收终端将接收的数据发送到监测云平台；通过监测云平台展示的智能伸缩缝电压或电流参数变化特征，可以监控智能伸缩缝的健康状态。

22、进一步地，通过对电流大小进行控制，使智能伸缩缝产生反向位移，实现智能伸缩缝的反向调节。

23、本发明的技术效果，系统充分利用伸缩缝处往复位移的运动特点，安装磁电转换器和压电转换器，将机械能通过磁电转换为电能；通过监控智能伸缩缝电流参数(如电压、电流等)变化特征，可以监控智能伸缩缝结构的健康状态；对于伸缩缝过宽或者过窄，使得出现跳车或挤死的情况，造成桥面坑槽等现象的发生，系统可以通过对电流大小进行控制来进行反向调节，确保结构的安全运营。为了保障系统电能稳定，采用“开源节流”策略，利用大桥位置无阳光遮挡，光线充足的便利，安装太阳能装置；利用大桥位置开阔无遮拦的特点，安装风力发电装置，从而实现“开源”。与供电位置相对应，采用低功率无线分布式采集与传输子系统，降低能量传输损耗，从而实现“节流”。由于采用分布式“开源节流”测量，本系统制作安装方便灵活、稳定可靠、鲁棒性能好，可用于长期野外桥梁结构系统。

技术特征：

1.一种自俘能磁电转换智能伸缩缝系统，其特征在于，包括伸缩缝型钢(3)和能量转换器(1)，所述能量转换器(1)包括磁电转换器(4)、锚固块(5)和机械弹簧杆(6)，所述磁电转换器(4)两端设有锚固块(5)，所述磁电转换器(4)通过两根交叉的机械弹簧杆(6)连接所述锚固块(5)形成整体，交叉处设有可以转动的铰接轴，所述机械弹簧杆(6)可绕轴转动；所述锚固块(5)与所述伸缩缝型钢(3)连接；所述机械弹簧杆(6)的往复运动通过所述磁电转换器(1)将机械能转换为电能，并通过监控电压或电流参数的变化，监控智能伸缩缝的工作状态；

2.根据权利要求1所述的一种自俘能磁电转换智能伸缩缝系统，其特征在于，还包括，太阳能发电装置和风能发电装置、功率放大器、低功率能量收集装置、能量收集电路、ups电源、数据采集单元、无线传输单元和监测云平台。

3.根据权利要求1所述的一种自俘能磁电转换智能伸缩缝系统，其特征在于，所述锚固块利用承插式榫卯连接，两端的榫卯式锚固块与伸缩缝型钢焊接。

4.根据权利要求1所述的一种自俘能磁电转换智能伸缩缝系统，其特征在于，所述压电材料层的材料为压电陶瓷。

5.根据权利要求2所述的一种自俘能磁电转换智能伸缩缝系统，其特征在于，将太阳能和/或风能转化为电能，对系统进行供电，保证系统的供电稳定。

6.根据权利要求2所述的一种自俘能磁电转换智能伸缩缝系统，其特征在于，通过功率放大器把电信号放大，功率放大器输出电流大小可以调节激振器激振力大小，放大信号激励激振器振动，从而带动低功率能量收集装置振动，低功率能量收集装置在振动下输出电压，输出的电压通过低功率能量收集电路进行收集。

7.根据权利要求6所述的一种自俘能磁电转换智能伸缩缝系统，其特征在于，采用低功率无线分布式采集与传输子系统。

8.根据权利要求2所述的一种自俘能磁电转换智能伸缩缝系统，其特征在于，所述能量收集装置在工作时的等效电路为，当外界振动频率为ω时，此时c为压电材料层内部电容大小，rn为压电材料层内部阻抗大小，输出功率即外接负载rf的消耗功率：

9.根据权利要求2所述的一种自俘能磁电转换智能伸缩缝系统，其特征在于，能量收集电路连接无线传输单元并提供能量，同时数据采集单元也连接在无线传输单元将采集到的信号发送到接收终端，接收终端将接收的数据发送到监测云平台；通过监测云平台展示的智能伸缩缝电压或电流参数变化特征，可以监控智能伸缩缝的健康状态。

10.根据权利要求2所述的一种自俘能磁电转换智能伸缩缝系统，其特征在于，通过对电流大小进行控制，使智能伸缩缝产生反向位移，实现智能伸缩缝的反向调节。

技术总结
一种桥梁自俘能智能伸缩缝系统，系统充分利用伸缩缝处往复位移的运动特点，安装磁电和压电转换器，将机械能转换为电能；通过监控智能伸缩缝电流参数(如电压、电流等)变化特征，可以监控智能伸缩缝结构的健康状态；对于伸缩缝过宽或者过窄，可以通过对电流大小进行控制来进行反向调节。为了保障系统电能稳定，采用“开源节流”策略，利用太阳能装置，风力发电装置，从而实现“开源”。与供电位置相对应，采用低功率无线分布式采集与传输子系统，降低能量传输损耗，从而实现“节流”。此外，设计的模块化磁电转换器，可以适应不同类型的伸缩缝，如模数式、梳齿式，同时也实现了对伸缩缝不均匀变形的多点监测。

技术研发人员：王兵见,王益,任冬亮,姜磊,刘薇,郝朝伟,刘磊,崔亚萍,宗志刚,朱星星
受保护的技术使用者：交通运输部公路科学研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15