[实用新型]浮桥监测系统自维持悬臂梁式压电电源

说明书

技术领域

本实用新型涉及电力技术领域，尤其是一种浮桥监测系统自维持悬臂梁式压电电源。

背景技术

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，新型供电技术研究势在必行。

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究方向。

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。

实用新型内容

本实用新型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，本实用新型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。本实用新型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

本实用新型所列举的实施例，只是用于帮助理解本实用新型，不应理解为对本实用新型保护范围的限定，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型思想的前提下，还可以对本实用新型进行改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求保护的范围内。