本發(fā)明屬發(fā)電領(lǐng)域，具體涉及一種壓電-電磁混合式流體俘能器，為河流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電。

背景技術(shù)：

我國(guó)境內(nèi)遍布的河流達(dá)數(shù)千條之多。近年來(lái)，由于工業(yè)廢污水處理力度不夠、水土流失及農(nóng)藥和化肥使用不當(dāng)?shù)仍颍蟛糠趾恿鞫即嬖谝欢ǔ潭鹊奈廴締?wèn)題，近1/4的河流或河段因污染而不能滿(mǎn)足基本的灌溉需求。此外，由于目前很多地區(qū)中小河流防洪設(shè)施不完善、甚至沒(méi)有任何防洪設(shè)施，汛期來(lái)臨之際可能導(dǎo)致潰堤或漫堤等危險(xiǎn)，直接威脅了沿岸群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全。因此，河流監(jiān)測(cè)已受到國(guó)家相關(guān)部門(mén)的高度重視，十二五期間水利部就曾計(jì)劃實(shí)現(xiàn)對(duì)《中小河流治理和中小水庫(kù)除險(xiǎn)加固專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》中確定的五千余條河流的監(jiān)測(cè)全覆蓋；同時(shí)，國(guó)內(nèi)專(zhuān)家學(xué)者也相繼提出了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)方法和手段，包括針對(duì)河水污染的水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)，針對(duì)防洪及造成泥石流等自然災(zāi)害的雨量、水位以及河道水流速度監(jiān)測(cè)技術(shù)等多方面。雖然目前所提出的某些監(jiān)測(cè)方法在技術(shù)層面已較成熟，但尚未得到推廣應(yīng)用，其主要原因之一是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電問(wèn)題未得到很好的解決。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種壓電-電磁混合式流體俘能器，本發(fā)明采用的實(shí)施方案是：殼體的側(cè)壁端部經(jīng)螺釘安裝有端蓋，殼體的底壁內(nèi)側(cè)鑲嵌有線圈、外側(cè)設(shè)有上下耳板，上下耳板間安裝有兩個(gè)導(dǎo)柱；鈍體由柱體、鈍體凸臺(tái)及鈍體側(cè)板構(gòu)成，柱體為空心橢圓柱體或流線型柱體，鈍體側(cè)板經(jīng)其上的軸孔套在導(dǎo)柱上，壓簧壓在鈍體側(cè)板上下兩側(cè)，壓簧套在導(dǎo)柱上；鈍體凸臺(tái)上經(jīng)螺釘安裝有磁條，磁條靠近殼體的底壁安裝；設(shè)有兩個(gè)框架耳板的框架底板經(jīng)螺釘安裝在端蓋上；激勵(lì)器上設(shè)有上下平面、左右弧面、凹槽、凸臺(tái)、軸孔和銷(xiāo)孔，左右弧面及軸孔同心，上下平面相互平行且相對(duì)軸孔對(duì)稱(chēng)，軸孔與銷(xiāo)孔的軸線相互平行，凹槽和銷(xiāo)孔置于左弧面一側(cè)，凸臺(tái)置于右弧面一側(cè)，凸臺(tái)上經(jīng)螺釘安裝有磁塊；激勵(lì)器的軸孔套在轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸兩端固定在框架耳板上；長(zhǎng)銷(xiāo)兩端安裝在框架耳板上，短銷(xiāo)兩端置于激勵(lì)器的銷(xiāo)孔內(nèi)，拉簧兩端分別連接在長(zhǎng)銷(xiāo)和短銷(xiāo)上；框架底板上下兩側(cè)都經(jīng)螺釘和壓板安裝有換能器，換能器為由基板和壓電膜粘接而成的壓電換能器，基板靠近框架底板安裝，換能器自由端頂靠在激勵(lì)器的上平面或下平面上，換能器的右側(cè)端面與轉(zhuǎn)軸的中心位于同一平面內(nèi)；換能器安裝前為平直結(jié)構(gòu)、安裝后且非工作狀態(tài)下不發(fā)生彎曲變形。

換能器自由端與激勵(lì)器左右弧面相切時(shí)變形量最大，此時(shí)壓電膜上最大壓應(yīng)力小于其許用值、換能器端部彎曲變形量小于許用值

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為基板厚，h為換能器總厚，em和ep分別為基板和壓電膜材料的楊氏模量，k31和分別為壓電材料的機(jī)電耦合系數(shù)和許用壓應(yīng)力，l為換能器長(zhǎng)度。

非工作狀態(tài)下，即流體不流動(dòng)、鈍體靜止時(shí)，激勵(lì)器在其自身及磁塊的重力、磁條與磁塊間磁力及拉簧彈性力的作用下處于平衡狀態(tài)，框架底板上下兩側(cè)換能器的自由端頂靠在激勵(lì)器上平面或下平面上，兩個(gè)換能器都不發(fā)生彎曲變形；工作時(shí)，即有流體流過(guò)鈍體時(shí)，鈍體受到流體施加的上下交變的作用力并帶動(dòng)磁條一起沿著導(dǎo)柱往復(fù)移動(dòng)，磁條經(jīng)與磁塊的耦合作用力使激勵(lì)器繞著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；激勵(lì)器繞轉(zhuǎn)軸沿順時(shí)針及逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，換能器端部變形量及壓電膜上的壓應(yīng)力都逐漸增加，當(dāng)換能器與激勵(lì)器的左弧面或右弧面相切時(shí)變形量最大；相反，激勵(lì)器復(fù)位過(guò)程中，換能器端部變形量及壓電膜上的壓應(yīng)力都逐漸減小，換能器與激勵(lì)器的上下平面平行時(shí)換能器變形量及壓電膜上的壓應(yīng)力為零；上述壓電膜上壓應(yīng)力的交替增加與減小過(guò)程中即將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成了電能，此過(guò)程為壓電發(fā)電；同時(shí)，磁條沿導(dǎo)柱上下往復(fù)移動(dòng)、磁塊繞轉(zhuǎn)軸往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，線圈切割磁力線并將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，此過(guò)程為電磁發(fā)電。

本發(fā)明中，換能器自身為一個(gè)彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，拉簧與激勵(lì)器及磁塊構(gòu)成一個(gè)彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，鈍體、磁條與壓簧構(gòu)成一個(gè)彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，故總體為三自由度系統(tǒng)、有效頻帶寬；本發(fā)明中，流體速度較低、鈍體往復(fù)振動(dòng)頻率較低時(shí)壓電發(fā)電能力強(qiáng)，流體速度較高、鈍體往復(fù)振動(dòng)頻率較高時(shí)電磁發(fā)電能力強(qiáng)；壓電發(fā)電與電磁發(fā)電的有機(jī)結(jié)合有助于俘能器的發(fā)電能力、拓寬頻帶。

優(yōu)勢(shì)與特色：①壓電和電磁俘能單元分別適于低頻和高頻發(fā)電，且壓電俘能單元為3自由度系統(tǒng)，故有效頻帶寬、流速適應(yīng)性強(qiáng)；②壓電換能器變形量由激勵(lì)器控制且壓電膜僅承受壓應(yīng)力，可靠性高；③利用鈍體所受流體升力產(chǎn)生自激振動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低速時(shí)也有較好的激勵(lì)效果。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中俘能器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的a-a剖視圖；

圖3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；

圖4是圖3的左視圖。

具體實(shí)施方式

殼體a的側(cè)壁a1端部經(jīng)螺釘安裝有端蓋b，殼體a的底壁a2內(nèi)側(cè)鑲嵌有線圈c、底壁a2外側(cè)設(shè)有上耳板a3和下耳板a4，上耳板a3和下耳板a4之間安裝有兩個(gè)導(dǎo)柱d；鈍體e由柱體e1、鈍體凸臺(tái)e2及鈍體側(cè)板e(cuò)3構(gòu)成，柱體e1為空心的橢圓柱體或流線型柱體，鈍體側(cè)板e(cuò)3經(jīng)其上的軸孔套在導(dǎo)柱d上，壓簧f壓在鈍體側(cè)板e(cuò)3上下兩側(cè)，壓簧f套在導(dǎo)柱d上；鈍體凸臺(tái)e2上經(jīng)螺釘安裝有磁條g，磁條g靠近殼體a的底壁a2安裝；設(shè)有兩個(gè)框架耳板h1的框架底板h經(jīng)螺釘安裝在端蓋b上；激勵(lì)器i上設(shè)有上平面i1、下平面i2、左弧面i3、右弧面i4、凹槽i5、凸臺(tái)i6、軸孔i7和銷(xiāo)孔i8，左弧面i3、右弧面i4及軸孔i7同心，上平面i1和下平面i2相互平行且相對(duì)軸孔i7對(duì)稱(chēng)，軸孔i7與銷(xiāo)孔i8的軸線相互平行，凹槽i5和銷(xiāo)孔i8置于左弧面i3一側(cè)，凸臺(tái)i6置于右弧面i4一側(cè)，凸臺(tái)i6上經(jīng)螺釘安裝有磁塊p；激勵(lì)器i經(jīng)軸孔i7套在轉(zhuǎn)軸j上，轉(zhuǎn)軸j的兩端固定在框架耳板h1上；長(zhǎng)銷(xiāo)k兩端安裝在框架耳板h1上，短銷(xiāo)k’兩端置于激勵(lì)器i的銷(xiāo)孔i8內(nèi)，拉簧o的兩端分別連接在長(zhǎng)銷(xiāo)k和短銷(xiāo)k’上；框架底板h的上下兩側(cè)都經(jīng)螺釘和壓板m安裝有換能器n，換能器n為由基板n1和壓電膜n2粘接而成的壓電換能器，基板n1靠近框架底板h安裝，換能器n的自由端頂靠在激勵(lì)器i的上平面i1或下平面i2上，換能器n的右側(cè)端面與轉(zhuǎn)軸j的中心位于同一平面內(nèi)；換能器n安裝前為平直結(jié)構(gòu)、安裝后且非工作狀態(tài)下不發(fā)生彎曲變形。

換能器n自由端與激勵(lì)器i的左弧面i3或右弧面i4相切時(shí)變形量最大，此時(shí)壓電膜n2上的最大壓應(yīng)力小于其許用壓應(yīng)力、換能器n端部的彎曲變形量不大于許用值

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為基板n1的厚度，h為換能器n的總厚度，em和ep分別為基板n1和壓電膜n2材料的楊氏模量，k31和分別為壓電材料的機(jī)電耦合系數(shù)和許用壓應(yīng)力，l為換能器n的長(zhǎng)度。

非工作狀態(tài)下，即流體不流動(dòng)、鈍體e靜止時(shí)，激勵(lì)器i在其自身及磁塊p的重力、磁條g與磁塊p間磁力及拉簧o彈性力的作用下處于平衡狀態(tài)，框架底板h上下兩側(cè)換能器n的自由端頂靠在激勵(lì)器i的上平面i1或下平面i2上，兩個(gè)換能器n都不發(fā)生彎曲變形；工作時(shí)，即有流體流過(guò)鈍體e時(shí)，鈍體e受到流體施加的上下交變的作用力并帶動(dòng)磁條g一起沿著導(dǎo)柱d往復(fù)移動(dòng)，磁條g經(jīng)與磁塊p耦合作用使激勵(lì)器i繞著轉(zhuǎn)軸j轉(zhuǎn)動(dòng)；激勵(lì)器i繞轉(zhuǎn)軸j沿順時(shí)針及逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，換能器n端部變形量及壓電膜n2上的壓應(yīng)力都逐漸增加，當(dāng)換能器n與激勵(lì)器i的左弧面i3或右弧面i4相切時(shí)變形量最大；相反，激勵(lì)器i復(fù)位過(guò)程中，換能器n端部變形量及壓電膜n2上的壓應(yīng)力都逐漸減小，換能器n與激勵(lì)器i的上平面i1和下平面i2相平行時(shí)換能器n變形量及壓電膜n2上的壓應(yīng)力為零；上述壓電膜n2上壓應(yīng)力的交替增加與減小過(guò)程中即將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成了電能，此過(guò)程為壓電發(fā)電；同時(shí)，磁條g沿導(dǎo)柱d上下往復(fù)移動(dòng)、磁塊p繞轉(zhuǎn)軸j往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，線圈c切割磁力線并將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，此過(guò)程為電磁發(fā)電。

本發(fā)明中，換能器n自身為一個(gè)彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，拉簧o與激勵(lì)器i及磁塊p構(gòu)成一個(gè)彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，鈍體e、磁條g與壓簧f構(gòu)成一個(gè)彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，故總體為三自由度系統(tǒng)、有效頻帶寬；本發(fā)明中，流體速度較低、鈍體e往復(fù)振動(dòng)頻率較低時(shí)，壓電發(fā)電能力強(qiáng)；流體速度較高、鈍體e往復(fù)振動(dòng)頻率較高時(shí)，電磁發(fā)電能力強(qiáng)；壓電發(fā)電與電磁發(fā)電的有機(jī)結(jié)合有助于提高俘能器的發(fā)電能力、拓寬頻帶。