[发明专利]一种风致涡激振动的能量收集装置及收集方法

说明书

本发明公开了一种风致涡激振动的能量收集装置及收集方法，包括底座、弹性梁和摆动装置，弹性梁预变形为曲线的形式，弹性梁的上下表面均粘贴有压电片；在底座上表面左右两侧固定设置有支撑柱，弹性梁的两端分别固定连接在两侧支撑柱相对的一侧面上；摆动装置包括阻流体和摆动片，摆动片的一端固定连接在弹性梁的下表面中部，摆动片的另一端与阻流体固定连接。本发明结构简单，通过风吹过阻流体时所产生的涡激振动，使预变形为正弦曲线形式的弹性梁在不同稳态之间切换，稳态切换产生的大变形以及局部弹性梁的高频震动可使附着在弹性梁上下表面的聚偏氟乙烯压电片吸收变性能转变成为电能输出，从而代替传统化学电池为无线网络传感器节点提供电能。

技术领域

本发明涉及仪器科学与工程领域，具体涉及一种风致涡激振动的能量收集装置及收集方法。

背景技术

近年来，随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)电子网络技术和无线传感技术的快速发展，对人类科技技术进步和生产力的提高起到了巨大的推动作用。尤其是自上世纪六十年代开始，电子网络技术和无线传感技术的结合，加速了无线传感网络技术(Wireless Sensor Network,WSN)的发展。WSN技术是一种分布式传感网络，系统的末端是由无数个可感知和监测外部世界的传感器组成。传感器之间通过无线方式组成多跳的自组织网络通信系统，构成可以协作感知、采集和处理网络覆盖区域的环境参数。目前，WSN技术己经广泛的应用在机械结构(如发动机、涡轮机、风力叶片等)、基础设施(如桥梁、高速公路、高速铁路、建筑等)和环境监测(水质监测、森林火灾预警、气候、海洋)等方面。而监测这些设备或环境的各类参数(如温度、压力、应力、湿度等)需要大量的传感器节点，且这些传感器节点需要分散布置在不同位置，通过短距离多条通信方式进行数据传输。一般采取无线通讯的方式将采集到的数据发送到基站进行处理，用户通过监控终端并对无线传感网络进行参数设置、网络管理和监测任务发布等。因此，每个传感器节点均需要提供一定的电能。

目前，传感器节点大多采用化学电池供电，但节点的使用寿命与容量有限的电池之间的矛盾越来越激烈。一方面这一类网络中的传感器节点往往尺寸较小，无法配置大容量的电池，这就导致节点的使用寿命受到了制约；另一方面，频繁的更换电池也为网络的维护带来了巨大的工作量，间接提升了网络部署的成本。尤其是对于一些部署在艰苦恶劣环境中的监测网络来说，每次维护都需要耗费巨大的人力和财力，甚至由于所处环境位置偏远或难以进行二次维护等原因导致根本无法进行电池的更换或充电操作。因此，如何寻找新的能量供给方式以突破传统电池带来的网络寿命瓶颈是决定未来WSN技术发展的关键因素之一。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题，就是提供一种风致涡激振动的能量收集装置。

本发明所要解决的第二个技术问题，就是提供一种在上述装置基础上的风致涡激振动的能量收集方法。

采用本发明的装置及方法，能够吸收外部环境中的风致振动能转化为电能从而代替传统化学电池驱动无线网络传感器节点工作。

解决上述第一个技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种风致涡激振动的能量收集装置，其特征在于：包括底座、弹性梁和促使弹性梁发生变形的摆动装置，所述弹性梁预变形为曲线的形式，所述弹性梁的上下表面均粘贴有压电片；在所述底座上表面左右两侧固定设置有支撑柱，所述弹性梁的两端分别固定连接在两侧所述支撑柱相对的一侧面上；所述摆动装置包括阻流体和摆动片，所述摆动片的一端固定连接在所述弹性梁的下表面中部，所述摆动片的另一端与所述阻流体固定连接。

进一步地，所述弹性梁预变形为正弦曲线的形状。

进一步地，所述阻流体的气动外形设置为圆柱形。

进一步地，所述底座上在弹性梁中部下方的位置开设有一切口，所述摆动片从所述切口穿出所述底座，所述阻流体的一端与所述摆动片穿出底座的一端固定连接。