浮橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自維持懸臂梁式壓電電源的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及電力技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種浮橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自維持懸臂梁式壓電電源。
【背景技術(shù)】
[0002]為保證浮橋結(jié)構(gòu)的可靠性與安全性，需要對(duì)其健康狀態(tài)、損傷情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。由于浮橋是一個(gè)復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)需布置大量測(cè)點(diǎn)。利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)浮橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行大范圍分布式監(jiān)測(cè)，將大大增強(qiáng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性和實(shí)效性。無線傳感器是傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本組成部分，由于其體積微小，自身攜帶的電池能量有限，而且無線傳感器具有數(shù)量多、分布區(qū)域廣、部署環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，很難通過更換電池的方式獲取能量。而且化學(xué)電池長(zhǎng)期儲(chǔ)存性能較差，特別是在較低溫度下，化學(xué)電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)往往不能發(fā)生或者發(fā)生不完全，從而導(dǎo)致不能正常工作?？梢?，傳統(tǒng)供電方式已經(jīng)逐漸成為制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要因素，新型供電技術(shù)研宄勢(shì)在必行。
[0003]由于無線傳感器在浮橋工作環(huán)境中主要存在的是低頻振動(dòng)、非連續(xù)沖擊能等機(jī)械能量，而壓電材料能夠利用本身的正壓電效應(yīng)直接將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，所以可以將壓電材料設(shè)計(jì)成壓電電源為無線傳感器供電。同時(shí)，壓電電源具有激活速度快、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、長(zhǎng)期儲(chǔ)存性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)小型化、成本低廉等特點(diǎn)，可見，壓電電源非常適合作為專用物理電源使用。近年來，壓電發(fā)電技術(shù)由于其自身的優(yōu)點(diǎn)，在嵌入式MEMS、收集環(huán)境能等方面呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用潛力。而隨著材料技術(shù)發(fā)展尤其是壓電材料壓電系數(shù)的大幅提升，以及微功耗電子元器件的廣泛應(yīng)用，使得壓電電源的設(shè)計(jì)與研制逐漸成為一個(gè)熱點(diǎn)研宄方向。
[0004]然而，現(xiàn)有壓電電源仍然普遍存在發(fā)電量小、供電時(shí)間短等缺點(diǎn)，導(dǎo)致難以真正實(shí)現(xiàn)其持續(xù)供電的能力。分析主要原因是由于其發(fā)電單元壓電換能器的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率是有限的，且現(xiàn)有壓電電源的發(fā)電方式是通過外部機(jī)械載荷一次性作用于壓電換能器以使其產(chǎn)生電能，外部載荷的瞬時(shí)性增加了壓電換能器機(jī)電轉(zhuǎn)換及電能收集管理的難度，從而進(jìn)一步降低了壓電電源的機(jī)電轉(zhuǎn)換能力。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種浮橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自維持懸臂梁式壓電電源，滿足浮橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電需求。
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型包括圓筒形密閉外殼，所述外殼的內(nèi)壁上間距開有若干凹槽，所述凹槽內(nèi)設(shè)置有壓電懸臂梁陣列，所述壓電懸臂梁陣列的電極并聯(lián)，分別與設(shè)置在外殼上的輸出電極連接，所述壓電懸臂梁陣列5的中心軸處還設(shè)置有機(jī)械能量收集與傳遞裝置。
[0007]所述機(jī)械能量收集與傳遞裝置包括設(shè)置在外殼內(nèi)的彈簧，所述彈簧的兩端分別固定在外殼內(nèi)兩端，所述彈簧還與質(zhì)量塊固定連接，所述質(zhì)量塊外壁間隔固定有激勵(lì)圓環(huán)。
[0008]所述外殼內(nèi)壁中央處向內(nèi)伸展設(shè)置有凸臺(tái)，所述凸臺(tái)與質(zhì)量塊中部凹槽外壁之間間隙配合。
[0009]壓電懸臂梁工作時(shí)，其一端被固定，利用自由端的彎曲振動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換。由于電能的獲得是由陶瓷材料內(nèi)部的應(yīng)變能轉(zhuǎn)換而來的，沒有較大的應(yīng)變輸入，也難以激發(fā)較多的電荷。而外部激勵(lì)作用在壓電懸臂梁上，這種方式可產(chǎn)生較大的撓度，增加壓電層產(chǎn)生的機(jī)械變形量，因此能夠表現(xiàn)更高的電能輸出。本實(shí)用新型在傳統(tǒng)壓電換能器的基礎(chǔ)上增加了以彈簧質(zhì)量塊組件為核心的機(jī)械能量收集與傳遞機(jī)構(gòu)，它可以將工作環(huán)境中存在的外部機(jī)械載荷轉(zhuǎn)換為彈簧質(zhì)量塊組件的自維持振動(dòng)能量形式，從而延長(zhǎng)了機(jī)械載荷的持續(xù)效果并相應(yīng)延長(zhǎng)了壓電換能器維持機(jī)電轉(zhuǎn)換的時(shí)間，提高了外部機(jī)械能量的收集效率。同時(shí)設(shè)計(jì)了壓電懸臂梁陣列結(jié)構(gòu)以進(jìn)一步提高發(fā)電單元的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率，最終在很大程度上延長(zhǎng)了壓電電源的供電時(shí)間。
[0010]此外，壓電懸臂梁自身會(huì)產(chǎn)生有規(guī)律振動(dòng)，當(dāng)彈簧質(zhì)量塊組件固有頻率與懸臂梁振動(dòng)頻率接近時(shí)，其振幅將出現(xiàn)最大值，可提高整體結(jié)構(gòu)的輸出電能。在自維持壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還需考慮振動(dòng)匹配特性，以滿足彈簧質(zhì)量塊組件與懸臂梁陣列的共振條件，從而最大化提高該壓電電源的發(fā)電能力。
【附圖說明】
[0011]圖1是自維持懸臂梁式壓電電源結(jié)構(gòu)圖；
[0012]圖2是彈簧質(zhì)量塊組件剖視圖；
[0013]圖3是彈簧質(zhì)量塊組件結(jié)構(gòu)圖；
[0014]圖4是自維持壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)圖；
[0015]圖5是壓電懸臂梁陣列結(jié)構(gòu)圖；
【具體實(shí)施方式】
[0016]本實(shí)用新型所列舉的實(shí)施例，只是用于幫助理解本實(shí)用新型，不應(yīng)理解為對(duì)本實(shí)用新型保護(hù)范圍的限定，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型思想的前提下，還可以對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本實(shí)用新型權(quán)利要求保護(hù)的范圍內(nèi)。
[0017]如圖1所示，本實(shí)用新型包括圓筒形密閉外殼1，所述外殼I的內(nèi)壁從頂端至底端按照均勻間距開有若干凹槽11，壓電懸臂梁陣列5固定在這些凹槽內(nèi)部。所有壓電懸臂梁陣列5的電極并聯(lián)連接在一起，并分別與設(shè)置在外殼I上的輸出電極相連接，所述壓電懸臂梁陣列5的中心軸處還設(shè)置有機(jī)械能量收集與傳遞裝置。作為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例，所述機(jī)械能量收集與傳遞裝置包括設(shè)置在外殼I上下底部的彈簧2，所述彈簧2的兩端分別嵌入固定在外殼I上下底部的圓形凹槽內(nèi)。為了更好的收集外界能量，所述彈簧2還與質(zhì)量塊3固定連接，且在質(zhì)量塊3外壁均勻固定排列一組激勵(lì)圓環(huán)4，構(gòu)成彈簧質(zhì)量塊組件6。外殼I內(nèi)壁中央處向內(nèi)伸展設(shè)置有凸臺(tái)12，所述凸臺(tái)12與質(zhì)量塊中部凹槽外壁之間間隙配合，以防止彈簧質(zhì)量塊組件在工作期間出現(xiàn)橫向振動(dòng)或擺動(dòng)現(xiàn)象，確保彈簧沿外殼的軸線方向運(yùn)動(dòng)。自維持懸臂梁式壓電電源利用彈簧質(zhì)量塊組件6將外部能量轉(zhuǎn)換為振動(dòng)形式的機(jī)械能，在彈簧質(zhì)量塊組件6的振動(dòng)過程中，激勵(lì)圓環(huán)4將與對(duì)應(yīng)的壓電懸臂梁陣列5發(fā)生碰撞，從而激勵(lì)各單體懸臂梁53產(chǎn)生一致的振動(dòng)，壓電懸臂梁陣列5在振動(dòng)過程中由于本身的壓電效應(yīng)產(chǎn)生持續(xù)的電能輸出。其中，質(zhì)量塊4的作用是為