本發(fā)明屬風(fēng)力測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種自供電風(fēng)向儀。

背景技術(shù)：

風(fēng)向風(fēng)速測量技術(shù)在氣象、民航、公路與橋梁及采礦等行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用需求。目前，用于風(fēng)向風(fēng)速測量的新型傳感器、數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)等都取得了長足的發(fā)展，其中便攜式數(shù)字式風(fēng)速測量儀在工業(yè)生產(chǎn)中已獲得廣泛的實(shí)際應(yīng)用。然而，野外自然環(huán)境中風(fēng)向風(fēng)速測量方面還有一些急需解決的關(guān)鍵問題，如數(shù)據(jù)采集、處理及持續(xù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)哪芰抗?yīng)問題，測量系統(tǒng)的低風(fēng)速啟動(dòng)問題，等等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種自供電風(fēng)向儀，本發(fā)明采用的實(shí)施方案是：擺盤的盤體上方設(shè)有半軸并經(jīng)螺釘安裝有傳感器，盤體下方的中心處設(shè)有帶螺紋孔的凸臺(tái)、外緣處設(shè)有環(huán)臺(tái)，擺盤的盤體下方經(jīng)螺釘安裝有電路板，電路板上設(shè)有能量轉(zhuǎn)換電路、運(yùn)算處理電路與信息發(fā)射系統(tǒng)；傳感器均布在以半軸中心為圓心的圓周上，傳感器由等厚的鎳基板與壓電膜粘接而成，壓電膜的直徑與鎳基板可變形部分的直徑之比為0.8，壓電膜朝下安裝；帆架由相互垂直的套筒和底盤構(gòu)成，套筒套在半軸上并可繞半軸轉(zhuǎn)動(dòng)，套筒上安裝有帆布；帆架的底盤經(jīng)一組滾珠壓在擺盤的盤體上，滾珠置于底盤的沉孔內(nèi)并可轉(zhuǎn)動(dòng)；帆架的底盤下方鑲嵌有兩個(gè)磁鐵，磁鐵中心與傳感器中心位于同一圓周上，磁鐵對稱安裝在半軸兩側(cè)。

外殼體經(jīng)螺釘安裝在底座上，激勵(lì)器的連接板經(jīng)螺釘安裝在底座凸臺(tái)上，激勵(lì)器的連接板上設(shè)有擺桿，擺桿上端設(shè)有激勵(lì)盤，激勵(lì)盤上方設(shè)有螺柱，螺柱與擺盤的凸臺(tái)經(jīng)螺紋相連接，外殼體上端置于擺盤的環(huán)臺(tái)內(nèi)；底座凸臺(tái)的側(cè)壁上經(jīng)壓板和螺釘均布地安裝有發(fā)電單元，發(fā)電單元由片簧及其兩側(cè)對稱配置的壓電振子構(gòu)成，片簧及壓電振子的一端經(jīng)壓板壓接在底座凸臺(tái)的側(cè)壁上，片簧的自由端與激勵(lì)盤外緣接觸但無相互作用力；壓電振子由基板和壓電片粘接而成，基板自由端設(shè)有翻邊，基板靠近片簧安裝且基板自由端的翻邊頂靠在片簧上。

本發(fā)明中，壓電振子安裝前為平直結(jié)構(gòu)、安裝后為彎曲結(jié)構(gòu)，非工作時(shí)壓電片上所承受的最大壓應(yīng)力為其許用值的一半，壓電振子上兩層結(jié)構(gòu)端部的變形量為其許用值的一半，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分別為基板的厚度和壓電振子總厚度，em和ep分別為基板和壓電片的楊氏模量，k31和分別為壓電陶瓷材料的機(jī)電耦合系數(shù)和許用壓應(yīng)力，l為壓電振子兩層結(jié)構(gòu)部分的懸臂長度。

環(huán)境中有風(fēng)吹過時(shí)，帆布與風(fēng)的耦合作用將迫使帆架、擺盤及激勵(lì)器擺動(dòng)，再經(jīng)激勵(lì)盤及片簧的相互作用使壓電振子的狀態(tài)發(fā)生變化：片簧彎曲變形時(shí)，片簧一側(cè)壓電振子變形量增加、另一側(cè)壓電振子變形量減小，當(dāng)激勵(lì)器的擺桿變形過大并使擺盤的環(huán)臺(tái)與外殼體相接觸時(shí)，變形量逐漸增加的壓電振子變形量小于其許用值；壓電振子變形量交替增加與減小的過程中壓電片的應(yīng)力交替地增加和減小，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，此為壓電發(fā)電過程；所生成的電能經(jīng)導(dǎo)線傳輸?shù)诫娐钒迳?，?jīng)轉(zhuǎn)換處理后用于風(fēng)向信號(hào)的處理計(jì)算與發(fā)射。

環(huán)境中的風(fēng)向發(fā)生變化時(shí)，帆布將帶動(dòng)帆架及磁鐵繞擺盤的半軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變各傳感器與磁鐵的相對位置、使各傳感器上鎳基板的變形量及壓電膜上的電壓值發(fā)生變化，與磁鐵距離近的傳感器的電壓高、遠(yuǎn)的傳感器的電壓弱或無電壓，故本發(fā)明根據(jù)各傳感器電壓信號(hào)的強(qiáng)弱及有無確定風(fēng)向，所獲得的風(fēng)向變化信息經(jīng)電路板上的信息發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射出去。

優(yōu)勢與特色：結(jié)構(gòu)簡單、啟動(dòng)風(fēng)速低，所需能量自給、無需化學(xué)電池和鋪設(shè)電纜；壓電振子自身無附加質(zhì)量、基頻高，可確保工作在一階模態(tài)下，發(fā)電效果好；系統(tǒng)基頻易通過片簧剛度加以調(diào)整；工作中壓電振子僅承受單向激勵(lì)、產(chǎn)生單向彎曲變形、壓電片僅承受壓應(yīng)力且激勵(lì)距離可控，故可靠性高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中風(fēng)向儀的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中帆架的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是圖2的俯視圖；

圖4是圖1的a-a剖視圖；

圖5是圖1的i部視圖；

圖6是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中激勵(lì)器的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

擺盤a的盤體a1上方設(shè)有半軸a2、經(jīng)螺釘安裝有傳感器b，盤體a1下方的中心處設(shè)有帶螺紋孔的凸臺(tái)a3、外緣處設(shè)有環(huán)臺(tái)a4，盤體a1下方經(jīng)螺釘安裝有電路板y，電路板y上設(shè)有能量轉(zhuǎn)換電路、運(yùn)算處理電路與信息發(fā)射系統(tǒng)；傳感器b均布在以半軸a2中心為圓心的圓周上，傳感器b由等厚的鎳基板b1與壓電膜b2粘接而成，壓電膜b2的直徑與鎳基板b1可變形部分的直徑之比為0.8，壓電膜b2朝下安裝；帆架c由相互垂直的套筒c1和底盤c2構(gòu)成，套筒c1套在半軸a2上并可繞半軸a2轉(zhuǎn)動(dòng)，套筒c1上安裝有帆布d；帆架c的底盤c2經(jīng)一組滾珠e壓在擺盤a的盤體a1上，滾珠e置于底盤c2的沉孔內(nèi)并可轉(zhuǎn)動(dòng)；帆架c的底盤c2下方鑲嵌有兩個(gè)磁鐵f，磁鐵f的中心與傳感器b的中心位于同一圓周上，磁鐵f對稱安裝在半軸a2的兩側(cè)。

外殼體h經(jīng)螺釘安裝在底座g上，激勵(lì)器i的連接板i1經(jīng)螺釘安裝在底座凸臺(tái)g1上，激勵(lì)器i的連接板i1上設(shè)有擺桿i2，擺桿i2上端設(shè)有激勵(lì)盤i3，激勵(lì)盤i3上方設(shè)有螺柱i4，螺柱i4與擺盤a的凸臺(tái)a3經(jīng)螺紋相連接，外殼體h的上端置于擺盤a的環(huán)臺(tái)a4內(nèi)；底座凸臺(tái)g1的側(cè)壁上經(jīng)壓板j和螺釘均布地安裝有發(fā)電單元e，發(fā)電單元e由片簧m及其兩側(cè)對稱配置的壓電振子k構(gòu)成，片簧m及壓電振子k的一端經(jīng)壓板j壓接在底座凸臺(tái)g1的側(cè)壁上，片簧m的自由端與激勵(lì)盤i3的外緣接觸但無相互作用力；壓電振子k由基板k1和壓電片k2粘接而成，基板k1自由端設(shè)有翻邊k3，基板k1靠近片簧m安裝且基板k1自由端的翻邊k3頂靠在片簧m上。

本發(fā)明中，壓電振子k安裝前為平直結(jié)構(gòu)、安裝后為彎曲結(jié)構(gòu)，非工作時(shí)壓電片k2上所承受的最大的壓應(yīng)力為其許用值的一半，壓電振子k上兩層結(jié)構(gòu)端部的變形量為其許用值的一半，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分別為基板k1的厚度和壓電振子k總厚度，em和ep分別為基板k1和壓電片k2的楊氏模量，k31和分別為壓電陶瓷材料的機(jī)電耦合系數(shù)和許用壓應(yīng)力，l為壓電振子k兩層結(jié)構(gòu)部分的懸臂長度。

工作中環(huán)境的風(fēng)向及風(fēng)速變化時(shí)，帆布d受風(fēng)力作用將迫使帆架c轉(zhuǎn)動(dòng)及激勵(lì)器i的擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電及風(fēng)向的自動(dòng)測量，過程如下：

環(huán)境中有風(fēng)吹過時(shí)，帆布d與風(fēng)的耦合作用將迫使帆架c、擺盤a及激勵(lì)器i擺動(dòng)，再經(jīng)激勵(lì)盤i3及片簧m的相互作用使壓電振子k的狀態(tài)發(fā)生變化：片簧m彎曲變形時(shí)，片簧m一側(cè)壓電振子k的變形量增加、另一側(cè)壓電振子k的變形量減小，當(dāng)激勵(lì)器i的擺桿i2變形過大并使擺盤a的環(huán)臺(tái)a4與外殼體h相接觸時(shí)，變形量逐漸增加的壓電振子k的實(shí)際變形量小于其許用值；壓電振子k變形量交替增加與減小的過程中壓電片k2的應(yīng)力交替地增加和減小，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，此為壓電發(fā)電過程；所生成的電能經(jīng)導(dǎo)線傳輸?shù)诫娐钒鍄上，經(jīng)轉(zhuǎn)換處理后用于風(fēng)向信號(hào)的處理計(jì)算與發(fā)射。

環(huán)境中的風(fēng)向發(fā)生變化時(shí)，帆布d將帶動(dòng)帆架c及磁鐵f繞擺盤a的半軸a2轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變各傳感器b與磁鐵f的相對位置、使各傳感器b上鎳基板b1的變形量及壓電膜b2上的電壓值發(fā)生變化，與磁鐵f距離近的傳感器b的電壓高、遠(yuǎn)的傳感器b的電壓弱或無電壓，故本發(fā)明根據(jù)各傳感器b電壓信號(hào)的強(qiáng)弱及有無確定風(fēng)向，所獲得的風(fēng)向變化信息經(jīng)電路板y上的信息發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射出去。