了增強(qiáng)對(duì)壓電懸臂梁陣列5的載荷效果以及調(diào)整彈簧質(zhì)量塊組件6的等效質(zhì)量。彈簧3則是彈簧質(zhì)量塊6組件實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能的關(guān)鍵元件，其參數(shù)更為重要也較為復(fù)雜。進(jìn)行彈簧參數(shù)計(jì)算時(shí)，一般給出最大工作載荷和所對(duì)應(yīng)的形變量，但是本實(shí)用新型中需要進(jìn)行彈簧質(zhì)量塊組件6與壓電懸臂梁陣列5的匹配設(shè)計(jì)，所以必須首先確定彈簧3的剛度系數(shù)與最大形變量(當(dāng)彈簧承受過載荷時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的保護(hù)機(jī)構(gòu)將限制彈簧進(jìn)一步變形)。可見，彈簧質(zhì)量塊組件6是實(shí)現(xiàn)自維持供電特性的重要機(jī)構(gòu)，其設(shè)計(jì)將在很大程度上影響到該發(fā)電電源的性能指標(biāo)。
[0018]如圖2和圖3所示，彈簧2頂部23為封閉面，底部24開有凹槽，為了便于彈簧2和質(zhì)量塊3的固定連接，所述質(zhì)量塊3的內(nèi)部掏成圓柱桶狀結(jié)構(gòu)，彈簧2底部24套入至質(zhì)量塊3內(nèi)部，內(nèi)圓柱外壁31與彈簧內(nèi)壁之間間隙配合，以確保彈簧沿外殼的軸線方向運(yùn)動(dòng)。彈簧2的凹槽底面25與質(zhì)量塊3內(nèi)部凸臺(tái)32緊固在一起。所述彈簧2包括第一單元彈簧21和第二單元彈簧22，所述第一單元彈簧21和第二單元彈簧22對(duì)稱分布，分別按照上述方式與質(zhì)量塊3固定在一起。為了限制了彈簧質(zhì)量塊組件6的最大振幅，從而防止過載狀態(tài)下壓電懸臂梁陣列5被撞壞，在所述質(zhì)量塊3外壁中間部分開出凹槽33，凹槽33上下表面的間距決定了彈簧3壓縮或拉伸的總變形量，以限制彈簧3的形變范圍，防止在拉伸、壓縮過程中發(fā)生損壞。質(zhì)量塊3外壁均勻開有槽口 34，激勵(lì)圓環(huán)4內(nèi)壁41嵌入固定在槽口34內(nèi)，激勵(lì)圓環(huán)4外側(cè)按照均勻間距加工突出尖頭42。
[0019]如圖4所示，激勵(lì)圓環(huán)4尖頭42的數(shù)量與壓電懸臂梁陣列5中單體壓電懸臂梁53的數(shù)量相同，排列位置一一對(duì)應(yīng)。彈簧質(zhì)量塊組件6在振動(dòng)過程中，每個(gè)尖頭42前端與對(duì)應(yīng)的單體壓電懸臂梁53末梢發(fā)生碰撞，使壓電懸臂梁陣列5產(chǎn)生相一致的振動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用中，通過物理撞擊方式實(shí)現(xiàn)尖頭42對(duì)壓電懸臂梁53的振動(dòng)激勵(lì)，不僅轉(zhuǎn)換效率不高，而且還極易造成接觸部分發(fā)生磨損。所以為了使整套系統(tǒng)能夠更加有效且安全的實(shí)現(xiàn)功能，可以將激勵(lì)圓環(huán)4的突出尖頭42利用強(qiáng)力磁鐵代替，同時(shí)在壓電懸臂梁53末梢處安裝一個(gè)磁性相反的磁鐵。上述兩磁鐵盡量接近對(duì)方，以增強(qiáng)之間的吸引力，從而提高激勵(lì)效果。
[0020]如圖5所示，在基板圓環(huán)52的內(nèi)壁按均勻間距打矩形孔51，將單體壓電懸臂梁53分別嵌入固定在這些矩形孔51內(nèi)，要求基板圓環(huán)52緊緊夾持住壓電懸臂梁53，就構(gòu)成了壓電懸臂梁陣列5。單個(gè)壓電懸臂梁53在電氣上并聯(lián)連接，壓電懸臂梁陣列5之間通過導(dǎo)線并聯(lián)聯(lián)接。這種結(jié)構(gòu)成倍增加了并聯(lián)壓電懸臂梁的總數(shù)量，大幅提高了壓電換能器的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)也提高了抗過載能力，由于并聯(lián)陣列具有較大的電容量，更進(jìn)一步提高了電能輸出能力。
[0021]下面介紹下本實(shí)用新型的工作原理:
[0022]帶有自維持懸臂梁式壓電電源的無線傳感器安裝在浮橋或其他裝備的關(guān)鍵監(jiān)測(cè)部位，浮橋在架設(shè)、通載及撤收過程中都將在無線傳感器工作環(huán)境中產(chǎn)生非連續(xù)沖擊、低頻振動(dòng)等機(jī)械能量。在機(jī)械載荷作用下，自維持壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)中的彈簧質(zhì)量塊組件在外部機(jī)械載荷作用下迅速移動(dòng)至最大位移處。此時(shí)，激勵(lì)圓環(huán)將首次對(duì)壓電懸臂梁陣列施加載荷，壓電懸臂梁陣列則由于壓電效應(yīng)第一次將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能并通過電能收集與管理電路進(jìn)行存儲(chǔ)或供電，實(shí)現(xiàn)了該壓電電源的快速激活性；彈簧質(zhì)量塊組件同時(shí)將一部分外部能量儲(chǔ)存為彈性勢(shì)能，隨后彈簧質(zhì)量塊組件將自由振動(dòng)，致使激勵(lì)圓環(huán)進(jìn)一步對(duì)壓電懸臂梁陣列施加重復(fù)載荷，在彈簧質(zhì)量塊組件停止運(yùn)動(dòng)之前，壓電懸臂梁陣列則通過收集這部分振動(dòng)能而產(chǎn)生持續(xù)的電能輸出。
[0023]通過上述方法，自維持壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)將浮橋工作環(huán)境中的外部機(jī)械能轉(zhuǎn)換為彈簧勢(shì)能，在彈簧質(zhì)量塊組件振動(dòng)過程中產(chǎn)生交變作用逐步加載給壓電懸臂梁陣列，而不是將外部載荷一次性作用在壓電發(fā)電單元上?？梢娮跃S持懸臂梁壓電電源能夠延長外部機(jī)械載荷對(duì)壓電懸臂梁陣列的作用時(shí)間，即延長了壓電懸臂梁陣列將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的時(shí)間，并最終延長了電源的持續(xù)供電時(shí)間。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.浮橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自維持懸臂梁式壓電電源，包括圓筒形密閉外殼(1)，其特征在于，所述外殼(I)的內(nèi)壁上間距開有若干凹槽(11)，所述凹槽(11)內(nèi)設(shè)置有壓電懸臂梁陣列(5)，所述壓電懸臂梁陣列(5)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。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的浮橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自維持懸臂梁式壓電電源，其特征在于，所述機(jī)械能量收集與傳遞裝置包括設(shè)置在外殼(I)內(nèi)的彈簧(2)，所述彈簧(2)的兩端分別固定在外殼(I)內(nèi)兩端，所述彈簧(2)還與質(zhì)量塊(3)固定連接，所述質(zhì)量塊(3)外壁間隔固定有激勵(lì)圓環(huán)(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的浮橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自維持懸臂梁式壓電電源，其特征在于，所述外殼(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。
【專利摘要】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。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的中心軸處還設(shè)置有機(jī)械能量收集與傳遞裝置。本可以將工作環(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，從而延長了機(jī)械載荷的持續(xù)效果并相應(yīng)延長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。
【IPC分類】H02N2-18
【公開號(hào)】CN204271949
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201420562161
【發(fā)明人】黎暉, 沈冬祥, 王彪, 鐘小生, 張祥, 邴浩千
【申請(qǐng)人】中國人民解放軍63983部隊(duì)
【公開日】2015年4月15日
【申請(qǐng)日】2014年9月26日