浮桥监测系统自维持悬臂梁式压电电源技术方案

本实用新型专利技术涉及电力技术领域，尤其是一种浮桥监测系统自维持悬臂梁式压电电源。包括圆筒形密闭外壳，所述外壳的内壁上间距开有若干凹槽，所述凹槽内设置有压电悬臂梁阵列，所述压电悬臂梁阵列的电极并联，分别与设置在外壳上的输出电极连接，所述压电悬臂梁阵列的中心轴处还设置有机械能量收集与传递装置。本可以将工作环境中存在的外部机械载荷转换为弹簧质量块组件的自维持振动能量形式，从而延长了机械载荷的持续效果并相应延长了压电换能器维持机电转换的时间，提高了外部机械能量的收集效率。

【技术实现步骤摘要】
浮桥监测系统自维持悬臂梁式压电电源
本技术涉及电力
，尤其是一种浮桥监测系统自维持悬臂梁式压电电源。
技术介绍
为保证浮桥结构的可靠性与安全性，需要对其健康状态、损伤情况等进行实时监测。由于浮桥是一个复杂的大型结构，对其进行状态监测需布置大量测点。利用无线传感器网络对浮桥结构进行大范围分布式监测，将大大增强监测系统的可靠性和实效性。无线传感器是传感器网络的基本组成部分，由于其体积微小，自身携带的电池能量有限，而且无线传感器具有数量多、分布区域广、部署环境复杂等特点，很难通过更换电池的方式获取能量。而且化学电池长期储存性能较差，特别是在较低温度下，化学电池内部的化学反应往往不能发生或者发生不完全，从而导致不能正常工作。可见，传统供电方式已经逐渐成为制约无线传感器网络技术发展的一个重要因素，新型供电技术研宄势在必行。 由于无线传感器在浮桥工作环境中主要存在的是低频振动、非连续冲击能等机械能量，而压电材料能够利用本身的正压电效应直接将机械能转换为电能，所以可以将压电材料设计成压电电源为无线传感器供电。同时，压电电源具有激活速度快、环境适应性强、长期储存性能好、结构简单、易实现小型化、成本低廉等特点，可见，压电电源非常适合作为专用物理电源使用。近年来，压电发电技术由于其自身的优点，在嵌入式MEMS、收集环境能等方面呈现出广阔的应用潜力。而随着材料技术发展尤其是压电材料压电系数的大幅提升，以及微功耗电子元器件的广泛应用，使得压电电源的设计与研制逐渐成为一个热点研宄方向。 然而，现有压电电源仍然普遍存在发电量小、供电时间短等缺点，导致难以真正实现其持续供电的能力。分析主要原因是由于其发电单元压电换能器的机电转换效率是有限的，且现有压电电源的发电方式是通过外部机械载荷一次性作用于压电换能器以使其产生电能，外部载荷的瞬时性增加了压电换能器机电转换及电能收集管理的难度，从而进一步降低了压电电源的机电转换能力。
技术实现思路
本技术要解决的技术问题是提供一种浮桥监测系统自维持悬臂梁式压电电源，满足浮桥监测系统供电需求。 为了解决上述技术问题，本技术包括圆筒形密闭外壳，所述外壳的内壁上间距开有若干凹槽，所述凹槽内设置有压电悬臂梁阵列，所述压电悬臂梁阵列的电极并联，分别与设置在外壳上的输出电极连接，所述压电悬臂梁阵列5的中心轴处还设置有机械能量收集与传递装置。 所述机械能量收集与传递装置包括设置在外壳内的弹簧，所述弹簧的两端分别固定在外壳内两端，所述弹簧还与质量块固定连接，所述质量块外壁间隔固定有激励圆环。 所述外壳内壁中央处向内伸展设置有凸台，所述凸台与质量块中部凹槽外壁之间间隙配合。 压电悬臂梁工作时，其一端被固定，利用自由端的弯曲振动实现机械能向电能的转换。由于电能的获得是由陶瓷材料内部的应变能转换而来的，没有较大的应变输入，也难以激发较多的电荷。而外部激励作用在压电悬臂梁上，这种方式可产生较大的挠度，增加压电层产生的机械变形量，因此能够表现更高的电能输出。本技术在传统压电换能器的基础上增加了以弹簧质量块组件为核心的机械能量收集与传递机构，它可以将工作环境中存在的外部机械载荷转换为弹簧质量块组件的自维持振动能量形式，从而延长了机械载荷的持续效果并相应延长了压电换能器维持机电转换的时间，提高了外部机械能量的收集效率。同时设计了压电悬臂梁阵列结构以进一步提高发电单元的机电转换效率，最终在很大程度上延长了压电电源的供电时间。 此外，压电悬臂梁自身会产生有规律振动，当弹簧质量块组件固有频率与悬臂梁振动频率接近时，其振幅将出现最大值，可提高整体结构的输出电能。在自维持压电悬臂梁结构设计中还需考虑振动匹配特性，以满足弹簧质量块组件与悬臂梁阵列的共振条件，从而最大化提高该压电电源的发电能力。 【附图说明】 图1是自维持悬臂梁式压电电源结构图； 图2是弹簧质量块组件剖视图； 图3是弹簧质量块组件结构图； 图4是自维持压电悬臂梁结构图； 图5是压电悬臂梁阵列结构图； 【具体实施方式】 本技术所列举的实施例，只是用于帮助理解本技术，不应理解为对本技术保护范围的限定，对于本
的普通技术人员来说，在不脱离本技术思想的前提下，还可以对本技术进行改进和修饰，这些改进和修饰也落入本技术权利要求保护的范围内。 如图1所示，本技术包括圆筒形密闭外壳1，所述外壳I的内壁从顶端至底端按照均匀间距开有若干凹槽11，压电悬臂梁阵列5固定在这些凹槽内部。所有压电悬臂梁阵列5的电极并联连接在一起，并分别与设置在外壳I上的输出电极相连接，所述压电悬臂梁阵列5的中心轴处还设置有机械能量收集与传递装置。作为本技术的优选实施例，所述机械能量收集与传递装置包括设置在外壳I上下底部的弹簧2，所述弹簧2的两端分别嵌入固定在外壳I上下底部的圆形凹槽内。为了更好的收集外界能量，所述弹簧2还与质量块3固定连接，且在质量块3外壁均匀固定排列一组激励圆环4，构成弹簧质量块组件6。外壳I内壁中央处向内伸展设置有凸台12，所述凸台12与质量块中部凹槽外壁之间间隙配合，以防止弹簧质量块组件在工作期间出现横向振动或摆动现象，确保弹簧沿外壳的轴线方向运动。自维持悬臂梁式压电电源利用弹簧质量块组件6将外部能量转换为振动形式的机械能，在弹簧质量块组件6的振动过程中，激励圆环4将与对应的压电悬臂梁阵列5发生碰撞，从而激励各单体悬臂梁53产生一致的振动，压电悬臂梁阵列5在振动过程中由于本身的压电效应产生持续的电能输出。其中，质量块4的作用是为了增强对压电悬臂梁阵列5的载荷效果以及调整弹簧质量块组件6的等效质量。弹簧3则是弹簧质量块6组件实现预期功能的关键元件，其参数更为重要也较为复杂。进行弹簧参数计算时，一般给出最大工作载荷和所对应的形变量，但是本技术中需要进行弹簧质量块组件6与压电悬臂梁阵列5的匹配设计，所以必须首先确定弹簧3的刚度系数与最大形变量(当弹簧承受过载荷时，结构设计中的保护机构将限制弹簧进一步变形)。可见，弹簧质量块组件6是实现自维持供电特性的重要机构，其设计将在很大程度上影响到该发电电源的性能指标。 如图2和图3所示，弹簧2顶部23为封闭面，底部24开有凹槽，为了便于弹簧2和质量块3的固定连接，所述质量块3的内部掏成圆柱桶状结构，弹簧2底部24套入至质量块3内部，内圆柱外壁31与弹簧内壁之间间隙配合，以确保弹簧沿外壳的轴线方向运动。弹簧2的凹槽底面25与质量块3内部凸台32紧固在一起。所述弹簧2包括第一单元弹簧21和第二单元弹簧22，所述第一单元弹簧21和第二单元弹簧22对称分布，分别按照上述方式与质量块3固定在一起。为了限制了弹簧质量块组件6的最大振幅，从而防止过载状态下压电悬臂梁阵列5被撞坏，在所述质量块3外壁中间部分开出凹槽33，凹槽33上下表面的间距决定了弹簧3压缩或拉伸的总变形量，以限制弹簧3的形变范围，防止在拉伸、压缩过程中发生损坏。质量块3外壁均匀开有槽口 34，激励圆环4内壁41嵌入固定在槽口34内，激励圆环4外侧按照均匀间距加工突出尖头42。 如图4所示，激励圆环4尖头42的数量与压电悬臂梁阵列5中单体压电悬臂梁53的数本文档来自技高网...

【技术保护点】
浮桥监测系统自维持悬臂梁式压电电源，包括圆筒形密闭外壳（1），其特征在于，所述外壳（1）的内壁上间距开有若干凹槽（11），所述凹槽（11）内设置有压电悬臂梁阵列（5），所述压电悬臂梁阵列（5）的电极并联，分别与设置在外壳上的输出电极连接，所述压电悬臂梁阵列（5）的中心轴处还设置有机械能量收集与传递装置。

【技术特征摘要】
1.浮桥监测系统自维持悬臂梁式压电电源，包括圆筒形密闭外壳(1)，其特征在于，所述外壳(I)的内壁上间距开有若干凹槽(11)，所述凹槽(11)内设置有压电悬臂梁阵列(5)，所述压电悬臂梁阵列(5)的电极并联，分别与设置在外壳上的输出电极连接，所述压电悬臂梁阵列(5)的中心轴处还设置有机械能量收集与传递装置。2.根据权利要求1所述的浮桥监测系统自维持悬臂梁式压电电源，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：黎晖，沈冬祥，王彪，钟小生，张祥，邴浩千，
申请(专利权)人：中国人民解放军六三九八三部队，
类型：新型
国别省市：江苏;32