一種自調頻壓電水流俘能器的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種自調頻壓電水流俘能器，屬河流監(jiān)測領域。限位架上設有底板和限位板；底板安裝在管道內壁上，限位板上與底板相連接的平面段上固定有簧片；簧片與管道中心線垂直，簧片自由端安裝有左右半殼；左右半殼底壁的端面之間壓接有金屬基板，金屬基板與壓電晶片粘接成壓電振子，壓電振子自由端安裝有質量塊，壓電振子經(jīng)導線與電路板相連；左半殼前后壁上設有左凸臺，右半殼前后壁上設有右凸臺；兩個左凸臺間的距離與兩個右凸臺間的距離相等且大于壓電晶片寬度、小于金屬基板寬度；左右凸臺上都設有圓弧形限位面，限位面與其所在的左半殼底壁或右半殼底壁的端面相切。優(yōu)勢特色：流速適應能力強、有效頻帶寬、可靠性高、發(fā)電能力強。
【專利說明】
-種自調頻壓電水流停能器
技術領域
[0001] 本實用新型屬于河流監(jiān)測技術領域，具體設及一種自調頻壓電水流俘能器，用于 構造自供電河流監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 我國境內遍布的河流達數(shù)千條之多。近年來，由于工業(yè)廢污水處理力度不夠、水± 流失及農藥和化肥等使用不當?shù)仍颍蟛糠趾恿鞫即嬖谝欢ǔ潭鹊奈廴締栴}，近1/4的河 流或河段因污染而不能滿足基本的灌概需求。此外，由于目前很多地區(qū)中小河流防洪設施 不完善、甚至沒有任何防洪設施，訊期來臨之際可能導致潰堤或漫堤等危險，直接威脅了沿 岸群眾的生命和財產安全。因此，河流監(jiān)測已受到國家相關部口的高度重視，十二五期間水 利部就曾計劃實現(xiàn)對《中小河流治理和中小水庫除險加固專項規(guī)劃》確定的五千余條河流 的監(jiān)測全覆蓋；同時，國內專家學者也相繼提出了相應的監(jiān)測方法和手段，包括針對河水污 染的水質監(jiān)測技術，針對防洪及泥石流等自然災害的雨量、水位W及河道水流速等監(jiān)測技 術等多方面。雖然所提出的某些監(jiān)測方法在技術層面W較成熟，但目前尚未得到大面的積 推廣應用，其主要原因之一是監(jiān)測系統(tǒng)供電問題未得到很好的解決。

【發(fā)明內容】

[0003] 針對現(xiàn)有河流監(jiān)測系統(tǒng)供電方面所存在的問題，本實用新型提出一種自調頻壓電 水流俘能器。本實用新型采用的實施方案是:限位架上設有底板和限位板，限位板由平面段 和曲面段兩部分構成;底板經(jīng)螺釘安裝在管道內壁上，限位板上與底板相連接的平面段上 經(jīng)螺釘和壓板固定有黃片;黃片的平面與管道的中屯、線垂直，黃片自由端經(jīng)螺釘安裝有左 半殼，左半殼經(jīng)螺釘與右半殼相連并構成密閉的空腔；左半殼底壁與右半殼底壁的端面之 間壓接有金屬基板，金屬基板與其兩側所粘接的壓電晶片構成懸臂梁型壓電振子，壓電振 子自由端經(jīng)螺釘安裝有質量塊，壓電振子經(jīng)導線與安裝在右半殼右壁上的電路板相連;左 半殼的前壁和后壁上都設有左凸臺，右半殼的前壁和后壁上都設有右凸臺；左半殼上的兩 個左凸臺間的距離與右半殼上兩個右凸臺間的距離相等且大于壓電晶片寬度、小于金屬基 板寬度；左凸臺和右凸臺上都設有限制壓電振子變形量的圓弧形限位面，限位面與其所在 的左半殼底壁或右半殼底壁的端面相切。
[0004] 本實用新型中，黃片-左右半殼構成振動系統(tǒng)I、壓電振子-質量塊構成振動系統(tǒng) II，故俘能器總體上屬于2自由度振動系統(tǒng)，當外界激勵頻率與振動系統(tǒng)I或II的固有頻率 接近時俘能器的發(fā)電量都將出現(xiàn)峰值，有效頻帶寬。
[0005] 非工作狀態(tài)下，黃片、左半殼、右半殼及壓電振子都處于靜止狀態(tài)，且黃片與管道 的中屯、線相垂直。
[0006] 管道內有流體流過時，黃片產生彎曲變形且根部貼靠在限位板的曲面段上，從而 使黃片的有效懸臂長度減小、彎曲剛度增加、振動系統(tǒng)I的固有頻率增加;流體速度達到足 夠大時限位板的曲面段將全都與黃片接觸，此時黃片的有效懸臂長度最短、彎曲剛度最大、 振動系統(tǒng)I的固有頻率最大。
[0007] 流體流過黃片時還會在黃片后面產生卡口縱街，縱滿的交替生成與脫落會使黃片 前后兩側流體壓力交替變化并使振動系統(tǒng)I產生自激振動，從而帶動振動系統(tǒng)II往復振動， 并經(jīng)壓電振子將機械能轉換成電能；因自激振動頻率即縱滿的脫落頻率隨流體流速的增加 而增加，當自激頻率與振動系統(tǒng)I的固有頻率相同或相近時，左右半殼振幅最大，壓電振子 受激強度及發(fā)電量都出現(xiàn)峰值。顯然，對于本實用新型的俘能器，流體流速增加使自激頻率 增加時，振動系統(tǒng)I的固有頻率也隨之增加，具有自調頻功能，有效地拓展了頻帶寬度，流速 適應能力強。
[0008] 當自激頻率與振動系統(tǒng)II的固有頻率相同或相近時，壓電振子的振幅及發(fā)電量也 都會出現(xiàn)峰值;且當壓電振子變形量達到一定程度時，金屬基板將貼靠在限位面上，從而限 制了壓電振子變形量的進一步增加、且使壓電晶片的應力分布均勻，發(fā)電量及可靠性都大 幅度提升。本實用新型中，為提高壓電振子發(fā)電能力和可靠性，壓電晶片為0.2mm的PZT4、金 屬基板為被青銅，金屬基板與壓電晶片厚度之比為1~2.5;限位面最小曲率半徑為
，其中a = hm/hp為厚度比，hm和hp分別為金屬基板和壓電 晶片的厚度。
[0009] 優(yōu)勢與特色:①俘能器為兩自由度系統(tǒng)且振動系統(tǒng)I的固有頻率可自動調節(jié)，故有 效頻帶寬、流速適應能力強;②壓電晶片變形量可控、應力分布均勻，故發(fā)電能力強、可靠性 局。
【附圖說明】
[0010] 圖1是本實用新型一個較佳實施例中非工作狀態(tài)下俘能器的結構示意圖；
[0011] 圖2是圖1的右視圖；
[0012]圖3是圖1的I部放大圖；
[0013]圖4是圖3的A-A剖視圖；
[0014] 圖5是本實用新型一個較佳實施例中右半殼的結構示意圖；
[0015] 圖6是圖5的左視圖；
[0016] 圖7是本實用新型一個較佳實施例中限位架的結構示意圖；
[0017] 圖8是本實用新型一個較佳實施例中流速較大時俘能器的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0018] 限位架d上設有底板dl和限位板d2,限位板d2由平面段d3和曲面段d4兩部分構成； 底板dl經(jīng)螺釘安裝在管道a內壁上，限位板d2上與底板dl相連接的平面段d3上經(jīng)螺釘和壓 板C固定有黃片b;黃片b的平面與管道a的中屯、線垂直，黃片b的自由端經(jīng)螺釘安裝有左半殼 e，左半殼e經(jīng)螺釘與右半殼g相連并構成密閉的空腔C;左半殼e底壁el與右半殼g的底壁gl 的端面之間壓接有金屬基板hi,金屬基板hi與其兩側所粘接的壓電晶片h2構成懸臂梁型壓 電振子h，壓電振子h的自由端經(jīng)螺釘安裝有質量塊f，壓電振子h經(jīng)導線與安裝在右半殼g的 右壁上的電路板i相連;左半殼e的前壁e2和后壁e3上都設有左凸臺Tl,右半殼g的前壁g2和 后壁的上都設有右凸臺T2;左半殼e上的兩個左凸臺Tl間的距離L與右半殼g上兩個右凸臺 T2間的距離L'相等且大于壓電晶片h2的寬度L2、小于金屬基板hi的寬度LI;左凸臺Tl和右 凸臺T2上都設有限制壓電振子h變形量的圓弧形限位面M，限位面M與其所在的左半殼e的底 壁el或右半殼g的底壁gl的端面相切。
[0019] 本實用新型中，黃片b-左半殼e-右半殼g構成振動系統(tǒng)I、壓電振子h-質量塊f構成 振動系統(tǒng)II，故俘能器總體上屬于2自由度振動系統(tǒng)，當外界激勵頻率與振動系統(tǒng)I或振動 系統(tǒng)II的固有頻率接近時俘能器的發(fā)電量都將出現(xiàn)峰值，故有效頻帶大幅度增加。
[0020] 非工作狀態(tài)下，黃片b、左半殼e、右半殼g及壓電振子h都處于靜止狀態(tài)，且黃片b與 管道a的中屯、線相垂直。
[0021] 管道a內有流體流過時，黃片b產生彎曲變形且根部貼靠在限位板d的曲面段d4上， 從而使黃片b的有效懸臂長度減小、彎曲剛度增加、振動系統(tǒng)I的固有頻率增加;流體速度達 到足夠大時限位板d的曲面段d4將全都與黃片b接觸，此時黃片b的有效懸臂長度最短、彎曲 剛度最大、振動系統(tǒng)I的固有頻率最大。
[0022] 流體流過黃片b時還會在黃片b后面產生卡口縱街，縱滿的交替生成與脫落會使黃 片b前后兩側的流體壓力交替變化并使振動系統(tǒng)I產生自激振動，從而帶動振動系統(tǒng)II往復 振動，并經(jīng)壓電振子h將機械能轉換成電能；因自激振動頻率即縱滿的脫落頻率隨流體流速 的增加而增加，當自激頻率與振動系統(tǒng)I的固有頻率相同或相近時，左半殼e及右半殼g的振 幅最大，壓電振子h受激強度及發(fā)電量都出現(xiàn)峰值。顯然，對于本實用新型的俘能器，流體流 速增加使自激頻率增加時，振動系統(tǒng)I的固有頻率也隨之增加，具有自調頻功能，有效地拓 展了系統(tǒng)的頻帶寬度，流速適應能力強。
[0023] 當自激頻率與振動系統(tǒng)II的固有頻率相同或相近時，壓電振子h的振幅及發(fā)電量 也都會出現(xiàn)峰值;且當壓電振子h變形量達到一定程度時，金屬基板hi將貼靠在限位面M上， 從而限制了壓電振子h變形量的進一步增加、且使壓電晶片h2的應力分布均勻，發(fā)電量及可 靠性都大幅度提升。本實用新型中，為提高壓電振子h的發(fā)電能力和可靠性，壓電晶片為 0.2mm的PZT4、金屬基板為被青銅，金屬基板hi與壓電晶片h2的厚度之比為1~2.5;限位面M 的最小曲率半徑為
，其中a = hm/hp為厚度比，hm和hp分別 為金屬基板hi和壓電晶片h2的厚度。
【主權項】
1. 一種自調頻壓電水流俘能器，其特征在于:限位架上設有底板和限位板，限位板由平 面段和曲面段兩部分構成;底板安裝在管道內壁上，限位板上與底板相連接的平面段上固 定有簧片;簧片與管道中心線垂直，簧片自由端安裝有左半殼，左半殼與右半殼相連并構成 密閉的空腔;左右半殼底壁的端面之間壓接有金屬基板，金屬基板與其兩側所粘接的壓電 晶片構成懸臂梁型壓電振子，壓電振子自由端安裝有質量塊，壓電振子經(jīng)導線與安裝在右 半殼右壁上的電路板相連；左半殼的前后壁上都設有左凸臺，右半殼的前后壁上都設有右 凸臺；兩個左凸臺間的距離與兩個右凸臺間的距離相等且大于壓電晶片寬度、小于金屬基 板寬度；左右凸臺上都設有限制壓電振子變形量的圓弧形限位面，限位面與其所在的左半 殼底壁或右半殼底壁的端面相切。
【文檔編號】H02N2/18GK205681334SQ201620625556
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月15日 公開號201620625556.4, CN 201620625556, CN 205681334 U, CN 205681334U, CN-U-205681334, CN201620625556, CN201620625556.4, CN205681334 U, CN205681334U
【發(fā)明人】呂鵬, 朱貝貝, 費翔, 張敏, 劉志浩, 闞君武
【申請人】浙江師范大學