構(gòu)設(shè)計(jì)方法為，在外殼內(nèi)壁中部(質(zhì)量塊2外壁中部法蘭2-4對應(yīng)位置)開凹槽1-3，以限制彈簧-質(zhì)量塊組件5的最大振幅，從而防止過載狀態(tài)下激勵(lì)連桿2-1將壓電圓薄板4擊穿?？梢?，彈簧-質(zhì)量塊組件5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)電裝置的性能指標(biāo)。
[0018]如圖3和圖4所示，彈簧3由上彈簧3-1與下彈簧3_2組成，上彈簧3_1上端面3_3開有小孔，小孔直徑大于質(zhì)量塊2上嵌入固定的激勵(lì)連桿2-1直徑，以使激勵(lì)連桿2-1可以自由伸出，上彈簧3-1內(nèi)部掏空成圓柱桶狀，質(zhì)量塊2上部圓柱體2-2嵌套在其中，圓柱體2-2半徑略小于彈簧內(nèi)徑。質(zhì)量塊2的凸臺(tái)2-3上端面與上彈簧3-1下方凹槽3-4的上端面固接，凸臺(tái)2-3外壁與凹槽3-4內(nèi)壁固接，且高度相同。下彈簧3-2和質(zhì)量塊2的連接設(shè)計(jì)方式與上彈簧3-1類似。質(zhì)量塊2中間部位設(shè)置法蘭2-4，法蘭2-4外壁與外殼I中部凹槽卜3內(nèi)壁之間間隙配合，以確保質(zhì)量塊2沿外殼I的軸線方向運(yùn)動(dòng)。所述法蘭2-4上、下面與凹槽1-3上、下面的間隙決定了彈簧3壓縮或拉伸的最大變形量，S卩限制了彈簧-質(zhì)量塊組件5的最大振幅?？梢?，彈簧3和壓電圓薄板4都通過此設(shè)計(jì)方法得到了過載保護(hù)。
[0019]如圖5所示，壓電圓薄板4由壓電陶瓷圓薄片4-1與金屬基板4-2黏結(jié)在一起構(gòu)成，壓電陶瓷4-1與金屬基板4-2軸線相重合。在工程應(yīng)用當(dāng)中，壓電圓薄板一般包括周邊固定支撐和周邊簡支支撐兩種方式，從圖6中可見，壓電圓薄板在簡支方式下工作時(shí)，其外表面呈向外伸展?fàn)顟B(tài)，這時(shí)在相同表面產(chǎn)生同種電荷。而在固支方式下工作時(shí)，圓薄板同一表面被分成了壓縮區(qū)和伸展區(qū)，壓縮區(qū)產(chǎn)生的電荷與伸展區(qū)產(chǎn)生電荷的性質(zhì)相反而相互抵消。因此，壓電圓薄板在簡支方式下的發(fā)電能力更加優(yōu)越，所以采用簡支支撐方式將兩壓電圓薄板4分別固定在上、下外殼靠近底部的凹槽1-1內(nèi)。兩壓電圓薄板4之間通過導(dǎo)線并聯(lián)聯(lián)接，這種結(jié)構(gòu)成倍提高了壓電換能器的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率，且由于并聯(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。
[0020]由于壓電陶瓷比較脆弱，安裝的時(shí)候?qū)弘妶A薄板4的金屬基板4-2 —方?jīng)_向激勵(lì)連桿2-1，使得彈簧-質(zhì)量塊組件5在振動(dòng)過程中，激勵(lì)連桿2-1末端與金屬基板4-2中心發(fā)生碰撞，使壓電圓薄板4產(chǎn)生受迫振動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用中，通過物理撞擊方式實(shí)現(xiàn)連桿2-1對壓電圓薄板4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)連桿2-1的末端替換為強(qiáng)力磁鐵，同時(shí)在金屬基板4-2中心處安裝一個(gè)磁性相同的磁鐵，使得激勵(lì)連桿2-1在接近金屬基板4-2中心時(shí)，即可迫使壓電圓薄板4發(fā)生變形而產(chǎn)生振動(dòng)。
[0021]下面介紹下本實(shí)用新型的工作原理:
[0022]帶有自維持圓薄板式壓電發(fā)電裝置的無線傳感器安裝在浮橋的關(guān)鍵監(jiān)測部位，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，自維持壓電圓薄板結(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)連桿將首次對壓電圓薄板施加載荷(撞擊壓電圓薄板的金屬基板)，壓電圓薄板隨即產(chǎn)生受迫振動(dòng)，并由于自身的壓電效應(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)了該壓電發(fā)電裝置的快速激活性；彈簧-質(zhì)量塊組件同時(shí)將一部分外部能量儲(chǔ)存為彈性勢能，隨后彈簧-質(zhì)量塊組件將自由振動(dòng)，致使激勵(lì)連桿進(jìn)一步對壓電圓薄板施加重復(fù)載荷，在彈簧-質(zhì)量塊組件停止運(yùn)動(dòng)之前，壓電圓薄板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]此外，壓電圓薄板自身會(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圓薄板振動(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。所以在自維持壓電圓薄板結(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)量塊組件與壓電圓薄板的共振條件，從而最大化提高該壓電發(fā)電裝置的發(fā)電能力?？梢?，通過上述方法，自維持壓電圓薄板結(jié)構(gòu)將浮橋工作環(huán)境中的外部機(jī)械能轉(zhuǎn)換為彈簧勢能，在彈簧-質(zhì)量塊組件振動(dòng)過程中產(chǎn)生交變作用并逐步加載給壓電圓薄板，而不是將外部載荷一次性作用在壓電換能器上。因此，自維持圓薄板壓電發(fā)電裝置能夠有效延長外部機(jī)械載荷對壓電圓薄板的作用時(shí)間，從而延長了壓電圓薄板將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的時(shí)間，并最終延長了該壓電發(fā)電裝置的持續(xù)供電時(shí)間。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.浮橋監(jiān)測系統(tǒng)自維持圓薄板式壓電發(fā)電裝置，其特征在于，包括密閉外殼(1)，所述外殼(I)靠近底部的內(nèi)壁開有兩個(gè)凹槽(1-1)，兩塊壓電圓薄板(4)以簡支支撐方式固定在這兩個(gè)凹槽(1-1)內(nèi)部，兩塊壓電圓薄板(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。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述浮橋監(jiān)測系統(tǒng)自維持圓薄板式壓電發(fā)電裝置，其特征在于，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)部兩端的伸展平臺(tái)(1-2)之間的彈簧(3)，所述彈簧(3)的兩端分別固定在外殼內(nèi)部兩端伸展平臺(tái)(1-2)的表面，所述彈簧(2)還與質(zhì)量塊(2)固定連接，所述質(zhì)量塊(2)上下兩端中央位置嵌有激勵(lì)連桿(2-1)。
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及<b>浮橋監(jiān)測系統(tǒng)自維持圓薄板式壓電發(fā)電裝置</b>，包括密閉外殼，所述外殼靠近底部的內(nèi)壁開有兩個(gè)凹槽，兩塊壓電圓薄板以簡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。本實(shí)用新型提高了對外部機(jī)械能量的收集效率，最終在很大程度上延長了自維持圓薄板式壓電發(fā)電裝置的供電時(shí)間。
【IPC分類】H02N2/18
【公開號(hào)】CN204886744
【申請?zhí)枴緾N201520642638
【發(fā)明人】黎暉, 沈冬祥, 王彪, 鐘小生, 張祥, 邴浩千, 倪佩佩
【申請人】中國人民解放軍63983部隊(duì)
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年8月24日