浮橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自維持圓薄板式壓電發(fā)電裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及壓電材料能量轉(zhuǎn)化與收集技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高承載的、能有效收集低頻振動(dòng)能量和沖擊能量的浮橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自維持圓薄板式壓電發(fā)電裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]浮橋是一個(gè)復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)，對(duì)其健康狀態(tài)、損傷情況等狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)需要布置大量測(cè)點(diǎn)。如采用傳統(tǒng)有線供電與通信的信號(hào)獲取方式，將給浮橋增加不可忽略的額外重量。利用無(wú)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(wú)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(wú)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(guò)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?jiàn)，傳統(tǒng)供電方式已經(jīng)逐漸成為制約無(wú)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)研究勢(shì)在必行。
[0003]由于無(wú)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)成壓電發(fā)電裝置為無(wú)線傳感器供電。同時(shí)，壓電發(fā)電裝置具有激活速度快、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(jiàn)，壓電發(fā)電裝置非常適合作為專用物理電源使用。近年來(lái)，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，使得壓電發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)與研制逐漸成為一個(gè)熱點(diǎn)研究方向。
[0004]然而，現(xiàn)有壓電發(fā)電裝置仍然普遍存在發(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)有壓電發(fā)電裝置的發(fā)電方式是通過(guò)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)一步降低了壓電發(fā)電裝置的機(jī)電轉(zhuǎn)換能力。為彌補(bǔ)以上不足，需要設(shè)計(jì)新型結(jié)構(gòu)，以將外部載荷的瞬態(tài)沖擊能轉(zhuǎn)換為持續(xù)振動(dòng)能，以延長(zhǎng)外部載荷對(duì)壓電換能器的作用時(shí)間。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種浮橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自維持圓薄板式壓電發(fā)電裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)供電的需求。
[0006]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型包括密閉外殼，所述外殼靠近底部的內(nèi)壁開(kāi)有兩個(gè)凹槽，兩塊壓電圓薄板以簡(jiǎn)支支撐方式固定在這兩個(gè)凹槽內(nèi)部，兩塊壓電圓薄板的電極并聯(lián)連接在一起，并分別與設(shè)置在外殼上的輸出電極相連接，所述壓電圓薄板的中心軸處還設(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由設(shè)置在外殼內(nèi)部?jī)啥说纳煺蛊脚_(tái)之間的彈簧，所述彈簧的兩端分別固定在外殼內(nèi)部?jī)啥松煺蛊脚_(tái)的表面，所述彈簧還與質(zhì)量塊固定連接，所述質(zhì)量塊上下兩端中央位置嵌有激勵(lì)連桿。
[0008]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，從而使彈簧-質(zhì)量塊組件對(duì)壓電換能器實(shí)施重復(fù)激勵(lì)，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，提高了對(duì)外部機(jī)械能量的收集效率，最終在很大程度上延長(zhǎng)了自維持圓薄板式壓電發(fā)電裝置的供電時(shí)間。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1是自維持圓薄板式壓電發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)圖；
[0010]圖2是彈簧-質(zhì)量塊組件剖視圖；
[0011 ]圖3質(zhì)量塊組件結(jié)構(gòu)圖；
[0012]圖4是彈簧剖視圖；
[0013]圖5是壓電圓薄板結(jié)構(gòu)圖；
[0014]圖6是壓電圓薄板支撐方式示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]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(lái)說(shuō)，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)。
[0016]如圖1所示，本實(shí)用新型包括由上外殼與下外殼通過(guò)旋擰固接方式組成圓筒形密閉外殼1，所述上、下外殼靠近底部的內(nèi)壁分別開(kāi)有凹槽1-1，兩塊壓電圓薄板4以簡(jiǎn)支支撐方式固定在這兩個(gè)凹槽1-1內(nèi)部。兩壓電圓薄板4的電極并聯(lián)連接在一起，并分別與設(shè)置在外殼上的輸出電極相連接，所述壓電圓薄板4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由設(shè)置在外殼內(nèi)部伸展平臺(tái)1-2之間的彈簧3，所述彈簧3的兩端分別固定在上、下外殼內(nèi)部伸展平臺(tái)1-2的表面，以保證彈簧在軸線方向作自由振動(dòng)時(shí)不發(fā)生松動(dòng)。為了更好的收集外界能量，所述彈簧2還與質(zhì)量塊2固定連接，且在質(zhì)量塊2上下兩端中央位置嵌入激勵(lì)連桿2-1，共同構(gòu)成如圖2所示彈簧-質(zhì)量塊組件5。
[0017]伸展平臺(tái)1-2與彈簧3末端開(kāi)相同尺寸圓孔，外殼I內(nèi)壁與彈簧3外壁之間間隙配合，以防止彈簧-質(zhì)量塊組件5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)。自維持圓薄板式壓電發(fā)電裝置利用彈簧-質(zhì)量塊組件5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5的振動(dòng)過(guò)程中，激勵(lì)連桿5-1將與對(duì)應(yīng)的壓電圓薄板4發(fā)生重復(fù)碰撞，從而激勵(lì)各壓電圓薄板4產(chǎn)生受迫振動(dòng)，壓電圓薄板4在振動(dòng)過(guò)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2的作用是為了增強(qiáng)對(duì)壓電圓薄板4的載荷效果以及調(diào)整彈簧-質(zhì)量塊組件5的等效質(zhì)量。彈簧3則是彈簧-質(zhì)量塊組件5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5與壓電圓薄板4的振動(dòng)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(guò)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)。保護(hù)機(jī)