本發(fā)明屬于河流監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于河流監(jiān)測(cè)的自激壓電俘能器，用于構(gòu)造自供電河流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

我國(guó)境內(nèi)遍布的河流達(dá)數(shù)千條之多。近年來(lái)，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?wèn)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(méi)有任何防洪設(shè)施，汛期來(lái)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(cè)已受到國(guó)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(kù)除險(xiǎn)加固專項(xiàng)規(guī)劃》確定的五千余條河流的監(jiān)測(cè)全覆蓋；同時(shí)，國(guó)內(nèi)專家學(xué)者也相繼提出了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)方法和手段，包括針對(duì)河水污染的水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(cè)技術(shù)等多方面。雖然所提出的某些監(jiān)測(cè)方法在技術(shù)層面以較成熟，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(cè)系統(tǒng)供電問(wèn)題未得到很好的解決。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有河流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電方面所存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種用于河流監(jiān)測(cè)的自激壓電俘能器。本發(fā)明采用的實(shí)施方案是：管道內(nèi)壁上對(duì)稱地設(shè)有兩個(gè)連接耳，連接耳上都經(jīng)螺釘和壓板安裝有簧片，簧片的平面與管道對(duì)稱中心線平行；上下半殼的法蘭通過(guò)螺釘相連，連接后的上下半殼形成密閉的殼體；上半殼的法蘭或下半殼的法蘭經(jīng)螺釘和壓板與所述的兩個(gè)簧片相連；上半殼的前后側(cè)壁上都設(shè)有上凸臺(tái)，下半殼的前后側(cè)壁上都設(shè)有下凸臺(tái)，兩個(gè)上凸臺(tái)的對(duì)稱中心處設(shè)有隔板；上凸臺(tái)和下凸臺(tái)上都設(shè)有限位面，限位面由一個(gè)平直段和與所述平直段相切的兩個(gè)圓弧段構(gòu)成，平直段寬度與隔板寬度相等；金屬基板經(jīng)螺釘和壓塊固定在隔板上并形成兩個(gè)金屬懸臂梁，每個(gè)金屬懸臂梁的自由端都經(jīng)螺釘安裝有線圈、側(cè)面都粘接有壓電晶片，金屬懸臂梁與所粘接的壓電晶片構(gòu)成壓電振子；上半殼上兩個(gè)上凸臺(tái)的間距與下半殼上兩個(gè)下凸臺(tái)的間距相等且大于壓電晶片的寬度、小于金屬基板的寬度；上下半殼上限位面上的平直段之間的間隙等于金屬基板的厚度；下半殼的底板上經(jīng)螺釘安裝有電路板，上下半殼的左右側(cè)壁上都經(jīng)螺釘安裝有磁鐵；上半殼上的磁鐵置于與其相鄰線圈的左上方或右上方，下半殼上的磁鐵置于與其相鄰線圈的左下方或右下方；各線圈及各壓電振子經(jīng)不同的導(dǎo)線組分別與電路板相連。

本發(fā)明中，簧片與殼體構(gòu)成振動(dòng)系統(tǒng)I、壓電振子與線圈構(gòu)成振動(dòng)系統(tǒng)II，故俘能器總體上為2自由度振動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)外界激勵(lì)頻率與振動(dòng)系統(tǒng)I或振動(dòng)系統(tǒng)II的固有頻率接近時(shí)俘能器的發(fā)電量都將出現(xiàn)峰值，有效頻帶大幅度增加。

工作中，流體流過(guò)簧片及殼體時(shí)會(huì)在其后面產(chǎn)生卡門漩街，漩渦的交替生成與脫落會(huì)使簧片及殼體上下及前后兩側(cè)的流體壓力交替變化，并使振動(dòng)系統(tǒng)I產(chǎn)生上下方向的自激振動(dòng)，從而帶動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)II上下往復(fù)振動(dòng)，再經(jīng)壓電振子和線圈將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能；因壓電振子和線圈的發(fā)電能力都隨壓電振子振幅的增加而增加，當(dāng)自激頻率與振動(dòng)系統(tǒng)I或II的固有頻率相同或相近時(shí)，俘能器的發(fā)電量都將出現(xiàn)峰值。工作過(guò)程中，當(dāng)壓電振子變形量達(dá)到一定程度時(shí)，金屬懸臂梁將貼靠在限位面上，從而限制了壓電振子變形量的進(jìn)一步增加、且使壓電晶片的應(yīng)力分布均勻，發(fā)電量及可靠性都大幅度提升。本發(fā)明中，為提高壓電振子的發(fā)電能力和可靠性，壓電晶片為0.2mm的PZT4、金屬基板為鈹青銅，金屬基板與壓電晶片的厚度之比為1～2.5；限位面的最小曲率半徑為其中α＝h_m/h_p為厚度比，h_m和h_p分別為金屬基板和壓電晶片的厚度。

優(yōu)勢(shì)與特色：①利用流固耦合作用實(shí)現(xiàn)自激振動(dòng)發(fā)電，無(wú)需渦輪等運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、便于與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相集成；②俘能器為兩自由度系統(tǒng)，且有效頻帶寬、流速適應(yīng)能力強(qiáng)；③壓電晶片變形量可控且應(yīng)力分布均勻，故發(fā)電能力強(qiáng)、可靠性高。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中俘能器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的A-A剖視圖；

圖3是上下半殼相互連接后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是圖3的B-B剖視圖。

具體實(shí)施方式

管道a內(nèi)壁上對(duì)稱地設(shè)有兩個(gè)連接耳a1，兩個(gè)連接耳上都經(jīng)螺釘和壓板b安裝有簧片c，簧片c的平面與管道a的對(duì)稱中心線平行；上半殼g的法蘭g1與下半殼d的法蘭d1通過(guò)螺釘相連，連接后的上半殼g與下半殼d形成密閉的殼體K；上半殼g的法蘭g1或下半殼d的法蘭d1經(jīng)螺釘和壓板b與所述的兩個(gè)簧片c相連；上半殼g的前后側(cè)壁上都設(shè)有上凸臺(tái)g2，下半殼d的前后側(cè)壁上都設(shè)有下凸臺(tái)d2，兩個(gè)上凸臺(tái)g2的對(duì)稱中心處設(shè)有隔板g3；上凸臺(tái)g2和下凸臺(tái)d2上都設(shè)有限位面M，限位面M由一個(gè)平直段Z和與所述平直段Z相切的兩個(gè)圓弧段H構(gòu)成，平直段Z的寬度與隔板g3的寬度相等；金屬基板h1經(jīng)螺釘和壓塊i固定在隔板g3上并形成兩個(gè)金屬懸臂梁h1’，每個(gè)金屬懸臂梁h1’的自由端都經(jīng)螺釘安裝有線圈j、側(cè)面都粘接有壓電晶片h2，金屬懸臂梁h1’與所粘接的壓電晶片h2構(gòu)成壓電振子h；上半殼g上的兩個(gè)上凸臺(tái)g2的間距L與下半殼d上的兩個(gè)下凸臺(tái)d2的間距L’相等且大于壓電晶片h2的寬度L2、小于金屬基板h1的寬度L1；上半殼g與下半殼d上的限位面M上的平直段Z之間的間隙等于金屬基板h1的厚度；下半殼d的底板上經(jīng)螺釘安裝有電路板e(cuò)，上半殼g和下半殼d的左右側(cè)壁上都經(jīng)螺釘安裝有磁鐵f；上半殼g上的磁鐵f置于與其相鄰線圈j的左上方或右上方，下半殼d上的磁鐵f置于與其相鄰線圈j的左下方或右下方；各線圈f及各壓電振子h經(jīng)不同的導(dǎo)線組與電路板e(cuò)相連。

本發(fā)明中，簧片c與殼體K構(gòu)成振動(dòng)系統(tǒng)I、壓電振子h與線圈f構(gòu)成振動(dòng)系統(tǒng)II，故俘能器總體上為2自由度振動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)外界激勵(lì)頻率與振動(dòng)系統(tǒng)I或振動(dòng)系統(tǒng)II的固有頻率接近時(shí)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。

工作中，流體流過(guò)簧片c及殼體K時(shí)會(huì)在其后面產(chǎn)生卡門漩街，漩渦的交替生成與脫落會(huì)使簧片c及殼體K上下及前后兩側(cè)的流體壓力交替變化，并使振動(dòng)系統(tǒng)I產(chǎn)生上下方向的自激振動(dòng)，從而帶動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)II上下往復(fù)振動(dòng)，再經(jīng)壓電振子h和線圈j將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能；因壓電振子h和線圈j的發(fā)電能力都隨壓電振子h振幅的增加而增加，當(dāng)自激頻率與振動(dòng)系統(tǒng)I或II的固有頻率相同或相近時(shí)，俘能器的發(fā)電量都將出現(xiàn)峰值。工作過(guò)程中，當(dāng)壓電振子h變形量達(dá)到一定程度時(shí)，金屬懸臂梁h1’將貼靠在限位面M上，從而限制了壓電振子h變形量的進(jìn)一步增加、且使壓電晶片h2的應(yīng)力分布均勻，發(fā)電量及可靠性都大幅度提升。本發(fā)明中，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h1為鈹青銅，金屬基板h1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α＝h_m/h_p為厚度比，h_m和h_p分別為金屬基板h1和壓電晶片h2的厚度。