构设计方法为，在外壳内壁中部(质量块2外壁中部法兰2-4对应位置)开凹槽1-3，以限制弹簧-质量块组件5的最大振幅，从而防止过载状态下激励连杆2-1将压电圆薄板4击穿。可见，弹簧-质量块组件5是实现自维持供电特性的重要机构，其设计将在很大程度上影响到该发电装置的性能指标。
[0018]如图3和图4所示，弹簧3由上弹簧3-1与下弹簧3_2组成，上弹簧3_1上端面3_3开有小孔，小孔直径大于质量块2上嵌入固定的激励连杆2-1直径，以使激励连杆2-1可以自由伸出，上弹簧3-1内部掏空成圆柱桶状，质量块2上部圆柱体2-2嵌套在其中，圆柱体2-2半径略小于弹簧内径。质量块2的凸台2-3上端面与上弹簧3-1下方凹槽3-4的上端面固接，凸台2-3外壁与凹槽3-4内壁固接，且高度相同。下弹簧3-2和质量块2的连接设计方式与上弹簧3-1类似。质量块2中间部位设置法兰2-4，法兰2-4外壁与外壳I中部凹槽卜3内壁之间间隙配合，以确保质量块2沿外壳I的轴线方向运动。所述法兰2-4上、下面与凹槽1-3上、下面的间隙决定了弹簧3压缩或拉伸的最大变形量，S卩限制了弹簧-质量块组件5的最大振幅。可见，弹簧3和压电圆薄板4都通过此设计方法得到了过载保护。
[0019]如图5所示，压电圆薄板4由压电陶瓷圆薄片4-1与金属基板4-2黏结在一起构成，压电陶瓷4-1与金属基板4-2轴线相重合。在工程应用当中，压电圆薄板一般包括周边固定支撑和周边简支支撑两种方式，从图6中可见，压电圆薄板在简支方式下工作时，其外表面呈向外伸展状态，这时在相同表面产生同种电荷。而在固支方式下工作时，圆薄板同一表面被分成了压缩区和伸展区，压缩区产生的电荷与伸展区产生电荷的性质相反而相互抵消。因此，压电圆薄板在简支方式下的发电能力更加优越，所以采用简支支撑方式将两压电圆薄板4分别固定在上、下外壳靠近底部的凹槽1-1内。两压电圆薄板4之间通过导线并联联接，这种结构成倍提高了压电换能器的机电转换效率，且由于并联阵列具有较大的电容量，更进一步提高了电能输出能力。
[0020]由于压电陶瓷比较脆弱，安装的时候将压电圆薄板4的金属基板4-2 —方冲向激励连杆2-1，使得弹簧-质量块组件5在振动过程中，激励连杆2-1末端与金属基板4-2中心发生碰撞，使压电圆薄板4产生受迫振动。在实际应用中，通过物理撞击方式实现连杆2-1对压电圆薄板4的振动激励，不仅转换效率不高，而且还极易造成接触部分发生磨损。所以为了使整套系统能够更加有效且安全的实现功能，可以将激励连杆2-1的末端替换为强力磁铁，同时在金属基板4-2中心处安装一个磁性相同的磁铁，使得激励连杆2-1在接近金属基板4-2中心时，即可迫使压电圆薄板4发生变形而产生振动。
[0021]下面介绍下本实用新型的工作原理:
[0022]带有自维持圆薄板式压电发电装置的无线传感器安装在浮桥的关键监测部位，浮桥在架设、通载及撤收过程中都将在无线传感器工作环境中产生非连续冲击、低频振动等机械能量。在机械载荷作用下，自维持压电圆薄板结构中的弹簧-质量块组件在外部机械载荷作用下迅速移动至最大位移处。此时，激励连杆将首次对压电圆薄板施加载荷(撞击压电圆薄板的金属基板)，压电圆薄板随即产生受迫振动，并由于自身的压电效应第一次将机械能转换为电能并通过电能收集与管理电路进行存储或供电，实现了该压电发电装置的快速激活性；弹簧-质量块组件同时将一部分外部能量储存为弹性势能，随后弹簧-质量块组件将自由振动，致使激励连杆进一步对压电圆薄板施加重复载荷，在弹簧-质量块组件停止运动之前，压电圆薄板则通过收集这部分振动能而产生持续的电能输出。
[0023]此外，压电圆薄板自身会产生有规律振动，当弹簧-质量块组件固有频率与圆薄板振动频率接近时，其振幅将出现最大值，可提高整体结构的输出电能。所以在自维持压电圆薄板结构设计中还需考虑振动匹配特性，以满足弹簧-质量块组件与压电圆薄板的共振条件，从而最大化提高该压电发电装置的发电能力。可见，通过上述方法，自维持压电圆薄板结构将浮桥工作环境中的外部机械能转换为弹簧势能，在弹簧-质量块组件振动过程中产生交变作用并逐步加载给压电圆薄板，而不是将外部载荷一次性作用在压电换能器上。因此，自维持圆薄板压电发电装置能够有效延长外部机械载荷对压电圆薄板的作用时间，从而延长了压电圆薄板将机械能转化为电能的时间，并最终延长了该压电发电装置的持续供电时间。
【主权项】
1.浮桥监测系统自维持圆薄板式压电发电装置，其特征在于，包括密闭外壳(1)，所述外壳(I)靠近底部的内壁开有两个凹槽(1-1)，两块压电圆薄板(4)以简支支撑方式固定在这两个凹槽(1-1)内部，两块压电圆薄板(4)的电极并联连接在一起，并分别与设置在外壳上的输出电极相连接，所述压电圆薄板(4)的中心轴处还设置有机械能量收集与传递装置。2.根据权利要求1所述浮桥监测系统自维持圆薄板式压电发电装置，其特征在于，所述机械能量收集与传递装置包括由设置在外壳内部两端的伸展平台(1-2)之间的弹簧(3)，所述弹簧(3)的两端分别固定在外壳内部两端伸展平台(1-2)的表面，所述弹簧(2)还与质量块(2)固定连接，所述质量块(2)上下两端中央位置嵌有激励连杆(2-1)。
【专利摘要】本实用新型涉及<b>浮桥监测系统自维持圆薄板式压电发电装置</b>，包括密闭外壳，所述外壳靠近底部的内壁开有两个凹槽，两块压电圆薄板以简支支撑方式固定在这两个凹槽内部，两块压电圆薄板的电极并联连接在一起，并分别与设置在外壳上的输出电极相连接，所述压电圆薄板的中心轴处还设置有机械能量收集与传递装置。本实用新型提高了对外部机械能量的收集效率，最终在很大程度上延长了自维持圆薄板式压电发电装置的供电时间。
【IPC分类】H02N2/18
【公开号】CN204886744
【申请号】CN201520642638
【发明人】黎晖, 沈冬祥, 王彪, 钟小生, 张祥, 邴浩千, 倪佩佩
【申请人】中国人民解放军63983部队
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年8月24日