一種基于壓電疊堆的河流監(jiān)測裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于壓電疊堆的河流監(jiān)測裝置，屬河流監(jiān)測領(lǐng)域。外殼由聚流管和直管構(gòu)成，直管內(nèi)壁上經(jīng)筋板一和二分別裝有擾流體和內(nèi)筒，擾流體與內(nèi)筒中心線相垂直；內(nèi)筒兩端裝有端蓋，左端蓋上鑲嵌有傳感器一和二、裝有帶發(fā)射單元的電路板；階梯軸左半軸左端蓋的中心孔伸出，左半軸端部裝有激勵(lì)器；左半軸上套有預(yù)緊彈簧，預(yù)緊彈簧頂靠在左端蓋和階梯軸右半軸軸肩上；右半軸通過防扭板將壓電疊堆壓接在右端蓋上。優(yōu)勢特色：利用流固作用發(fā)電，無需外界能量、無電磁干擾，可實(shí)現(xiàn)真正意義的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測；監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)簡單、徑向尺度小、易通過多壓電疊堆串聯(lián)獲得所需能量；發(fā)電單元結(jié)構(gòu)參數(shù)合理、能量轉(zhuǎn)換效率及可靠性高。
【專利說明】
一種基于壓電疊堆的河流監(jiān)測裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于河流監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于壓電疊堆的河流監(jiān)測裝置?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]我國境內(nèi)遍布的河流達(dá)數(shù)千條之多。近年來，由于工業(yè)廢污水處理力度不夠、水土流失及農(nóng)藥和化肥等使用不當(dāng)?shù)仍?，大部分河流都存在一定程度的污染問題，近1/4的河流或河段因污染而不能滿足基本的灌溉需求。此外，由于目前很多地區(qū)中小河流防洪設(shè)施不完善、甚至沒有任何防洪設(shè)施，汛期來臨之際可能導(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)測已受到國家相關(guān)部門的高度重視，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除險(xiǎn)加固專項(xiàng)規(guī)劃》確定的五千余條河流的監(jiān)測全覆蓋；同時(shí)，國內(nèi)專家學(xué)者也相繼提出了相應(yīng)的監(jiān)測方法和手段，包括針對(duì)河水污染的水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)，針對(duì)防洪及泥石流等自然災(zāi)害的雨量、水位以及河道水流速等監(jiān)測技術(shù)等多方面。雖然所提出的某些監(jiān)測方法在技術(shù)層面已較成熟，但目前尚未得到大面的積推廣應(yīng)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(nèi)容】

[0003]針對(duì)現(xiàn)有河流監(jiān)測系統(tǒng)供電方面所存在的問題，本發(fā)明提出一種基于壓電疊堆的河流監(jiān)測裝置。本發(fā)明采用的實(shí)施方案是:外殼由聚流管和直管構(gòu)成，直管內(nèi)壁上經(jīng)筋板一固定有圓柱形擾流體、經(jīng)筋板二固定有方形內(nèi)筒，擾流體與內(nèi)筒的中心線相互垂直;直管外側(cè)設(shè)有支架；內(nèi)筒左右兩端分別經(jīng)螺釘安裝有左端蓋和右端蓋，左端蓋上鑲嵌有傳感器一和傳感器二、經(jīng)螺釘安裝有帶發(fā)射單元的電路板;階梯軸的左半軸經(jīng)左端蓋的中心孔從內(nèi)筒中伸出，左半軸端部安裝有激勵(lì)器;左半軸上套有預(yù)緊彈簧，預(yù)緊彈簧左右兩端分別頂靠在左端蓋和階梯軸的右半軸軸肩上，右半軸端部為球面;右半軸通過方形防扭板將壓電疊堆壓接在右端蓋上，方形防扭板周邊與內(nèi)筒內(nèi)壁相接觸;壓電疊堆和預(yù)緊彈簧的剛度相等， 壓電疊堆的預(yù)緊力為其可承受最大壓力的10%?30%。
[0004]工作時(shí)、即有流體流過擾流體時(shí)，流體和擾流體之間將產(chǎn)生相互作用。在某些條件下，流體流經(jīng)擾流體時(shí)會(huì)在擾流體后面形成兩行旋轉(zhuǎn)方向相反、且周期性交替脫落的漩渦， 漩渦的交替脫落會(huì)引起擾流體與激勵(lì)器之間的流體壓力的交替變化，從而使激勵(lì)器前后兩側(cè)的流體壓力差交替地變化，交替變化的流體壓力使激勵(lì)器產(chǎn)生左右往復(fù)振動(dòng)。對(duì)于本發(fā)明，激勵(lì)器的左右往復(fù)振動(dòng)經(jīng)階梯軸帶動(dòng)壓電疊堆伸縮變形，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能;所生成電能經(jīng)導(dǎo)線傳輸?shù)诫娐钒宓哪芰哭D(zhuǎn)換與存儲(chǔ)電路，為傳感器一和二、及信號(hào)發(fā)射單元供電，發(fā)射單元將流體相關(guān)信息發(fā)射出去。
[0005]本發(fā)明中，為使壓電疊堆能被有效激勵(lì)，監(jiān)測裝置在最大流速下工作時(shí)壓電疊堆的靜壓縮量為其最大可壓縮量的一半;流體實(shí)際流速由單位時(shí)間內(nèi)壓電疊堆生成的電壓波形數(shù)量表征，即vifiD/Si，式中Si為與結(jié)構(gòu)及流體相關(guān)的系數(shù)為流體所引起的壓電疊堆的伸縮頻率、即單位時(shí)間內(nèi)所生成的電壓波形數(shù)，D=(200?5000)ii/(pVQ)為擾流體直徑，P為流體密度，μ為流體動(dòng)力粘度，Vo為最大流速。
[0006]優(yōu)勢與特色:利用擾流體及激勵(lì)器與流體的耦合作用發(fā)電并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測，無需外界能量供應(yīng)、無電磁干擾，可實(shí)現(xiàn)真正意義的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測；監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)簡單、徑向尺度小、易通過多壓電疊堆串聯(lián)獲得所需能量;發(fā)電單元結(jié)構(gòu)參數(shù)合理、能量轉(zhuǎn)換效率及可靠性尚°
【附圖說明】
[0007]圖1是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0008]圖2是圖1的A-A剖視圖；
[0009]圖3是圖1的I部放大圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]外殼a由聚流管al和直管a2構(gòu)成，直管a2內(nèi)壁上經(jīng)筋板bl固定有圓柱形擾流體m、經(jīng)筋板b2固定有方形內(nèi)筒e，擾流體m與內(nèi)筒e的中心線相互垂直;直管a2的外側(cè)設(shè)有支架c;內(nèi)筒e的左右兩端分別經(jīng)螺釘安裝有左端蓋k和右端蓋g，左端蓋k上鑲嵌有傳感器一 SI和傳感器二 S2、經(jīng)螺釘安裝有帶發(fā)射單元P的電路板d;階梯軸h的左半軸hi經(jīng)左端蓋k的中心孔從內(nèi)筒e中伸出，左半軸hi端部安裝有激勵(lì)器j;左半軸hi上套有預(yù)緊彈簧i，預(yù)緊彈簧i的左右兩端分別頂靠在左端蓋k和階梯軸h的右半軸h2的軸肩上，右半軸h2的端部為球面，右半軸h2通過方形防扭板X將壓電疊堆f壓接在右端蓋g上，方形防扭板X的周邊與內(nèi)筒e的內(nèi)壁相互接觸;壓電疊堆f和預(yù)緊彈簧i的剛度相等，壓電疊堆f的預(yù)緊力為其可承受最大壓力的10%?30%。
[0011 ]工作時(shí)、即有流體流過擾流體m時(shí)，流體和擾流體m之間將產(chǎn)生相互作用。在某些條件下，流體流經(jīng)擾流體m時(shí)會(huì)在擾流體m后面形成兩行旋轉(zhuǎn)方向相反、且周期性交替脫落的漩渦，漩渦的交替脫落會(huì)引起擾流體m與激勵(lì)器j之間的流體壓力的交替變化，從而使激勵(lì)器j前后兩側(cè)的流體壓力差交替地變化，交替變化的流體壓力使激勵(lì)器j產(chǎn)生左右往復(fù)振動(dòng)。對(duì)于本發(fā)明，激勵(lì)器j的左右往復(fù)振動(dòng)經(jīng)階梯軸h帶動(dòng)壓電疊堆f伸縮變形，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能;所生成電能經(jīng)導(dǎo)線傳輸?shù)诫娐钒錮的能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)電路，為傳感器一 S1、傳感器二S2及信號(hào)發(fā)射單元P供電，發(fā)射單元P將流體相關(guān)信息發(fā)射出去。
[0012]本發(fā)明中，為使壓電疊堆f能被有效激勵(lì)，監(jiān)測裝置在最大流速Vo下工作時(shí)壓電疊堆f的靜壓縮量為其最大可壓縮量的一半;流體的實(shí)際流速由單位時(shí)間內(nèi)壓電疊堆生成的電壓波形數(shù)量表征，即V = ADziS1，式中S1為與結(jié)構(gòu)及流體相關(guān)的系數(shù)，A為流體所引起的壓電疊堆f的伸縮頻率、即單位時(shí)間內(nèi)所生成的電壓波形數(shù)，0=(200?50004/(0￥())為擾流體m的直徑，P為流體密度，μ為流體動(dòng)力粘度，Vo為最大流速。
[0013]顯然，本發(fā)明利用擾流體m及激勵(lì)器j與流體的耦合作用發(fā)電并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測，無需外界能量供應(yīng)、無電磁干擾，可實(shí)現(xiàn)真正意義的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測；監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)簡單、徑向尺度小、易通過多壓電疊堆串聯(lián)獲得所需能量;發(fā)電單元結(jié)構(gòu)參數(shù)合理、能量轉(zhuǎn)換效率及可靠性高。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于壓電疊堆的河流監(jiān)測裝置，其特征在于:外殼由聚流管和直管構(gòu)成，直管內(nèi)壁上經(jīng)筋板一和二分別固定有圓柱形擾流體和方形內(nèi)筒，擾流體與內(nèi)筒的中心線相互垂直;直管外側(cè)設(shè)有支架；內(nèi)筒左右兩端分別經(jīng)螺釘安裝有左右端蓋，左端蓋上鑲嵌有傳感器一和二、經(jīng)螺釘安裝有帶發(fā)射單元的電路板;階梯軸左半軸經(jīng)左端蓋的中心孔從內(nèi)筒中伸出，左半軸端部安裝有激勵(lì)器;左半軸上套有預(yù)緊彈簧，預(yù)緊彈簧左右兩端分別頂靠在左端蓋和階梯軸右半軸的軸肩上，右半軸端部為球面;右半軸通過方形防扭板將壓電疊堆壓接在右端蓋上，防扭板周邊與內(nèi)筒內(nèi)壁相接觸;壓電疊堆和預(yù)緊彈簧的剛度相等，壓電疊堆的預(yù)緊力為其可承受最大壓力的10%?30% ;最大流速下工作時(shí)壓電疊堆的靜壓縮量為其最大可壓縮量的一半。
【文檔編號(hào)】G01N33/18GK106018724SQ201610459748
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月15日
【發(fā)明人】蔣永華, 嚴(yán)夢加, 王淑云, 闞君武
【申請(qǐng)人】浙江師范大學(xué)