一种环境能收集装置及其使用方法与流程

本发明涉及仪器科学与工程领域，特别涉及一种环境能收集装置及其使用方法。

背景技术：

无线传感网络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的传感器组成。传感器之间通过无线方式组成网络通信系统，构成可以协作感知、采集和处理网络覆盖区域的环境参数。而监测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，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。

技术实现要素：

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种环境能收集装置及其使用方法，能够通过吸收环境中的振动能转化为电能，应用范围广，实用性强。

根据本发明的第一方面实施例，提供一种环境能收集装置，包括：底座；支撑部件，设置在底座上，支撑部件包括三菱柱体和两个弹力部件；u型结构件，承载于三菱柱体和两个弹力部件上，三菱柱体设置在u型结构件的中部位置，两个弹力部件关于三菱柱体对称设置，u型结构件以三菱柱体为基点往复摆动；电磁感应模块，包括磁力部件和感应部件，磁力部件设置在u型结构件的底部，感应部件设置在底座，磁力部件随u型结构件的摆动而运动，感应部件设置在磁力部件的运动路径上，磁力部件与感应部件发生电磁感应；振动能收集模块，设置在u型结构件内，振动能收集模块包括调谐液体、阻流体和压电片，调谐液体随u型结构件的摆动而流动，阻流体与流动的调谐液体产生卡门涡街，压电片接收卡门涡街并输出电流；电量收集模块，分别与电磁感应模块和压电片连接。

有益效果：此环境能收集装置通过u型结构件感应外部振动环境，u型结构件在支撑部件上摆动，综合利用电磁感应模块和振动能收集模块进行能量采集，两种不同的能量采集方式集成一体，能够通过吸收环境中的振动能转化为电能，机电转化效率高，安全无污染且能够在野外无人区或恶劣环境中工作，应用范围广，实用性强。

根据本发明第一方面实施例的环境能收集装置，u型结构件的底部设有第一镂空结构、第二镂空结构、第三镂空结构，第一镂空结构、第二镂空结构、第三镂空结构依次排列，第一镂空结构的两端设有第一橡胶膜，第二镂空结构的两端设有第二橡胶膜，第三镂空结构的两端设有第三橡胶膜，压电片分别设置在第一橡胶膜、第二橡胶膜和第三橡胶膜上。

根据本发明第一方面实施例的环境能收集装置，阻流体设置两个，两个阻流体分别设置在第一镂空结构和第二镂空结构、第二镂空结构和第三镂空结构之间。

根据本发明第一方面实施例的环境能收集装置，第一镂空结构和第三镂空结构有上均设有三对压电片，第二镂空结构上设有五对压电片，各压电片依次排列，相邻的压电片间隔相等。

根据本发明第一方面实施例的环境能收集装置，磁力部件为条形磁铁，感应部件为电感线圈，条形磁铁随u型结构件的摆动间歇地伸入电感线圈内。

根据本发明第一方面实施例的环境能收集装置，电磁感应模块设置两组，两组电磁感应模块分别设置在u型结构件的两端。

根据本发明第一方面实施例的环境能收集装置，u型结构件为透明材质制作而成。

根据本发明的第二方面实施例，提供一种本发明第一方面实施例的环境能收集装置的使用方法，包括以下步骤：

安装环境能收集装置，确保底座与外部振动环境刚性连接；

根据外部环境振动频率，逐渐向u型结构件中注入调谐液体，使环境能收集装置的晃动频率与环境的激励频率一致或接近；

用第一导线连接压电片；

用第二导线连接感应部件；

将第一导线和第二导线接入电量收集模块，收集输出的电能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的正视图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1～图2，一种环境能收集装置，包括：底座70；支撑部件，设置在底座70上，支撑部件包括三菱柱体31和两个弹力部件32；u型结构件10，承载于三菱柱体31和两个弹力部件32上，三菱柱体31设置在u型结构件10的中部位置，两个弹力部件32关于三菱柱体31对称设置，u型结构件10以三菱柱体31为基点往复摆动，受两个弹力部件32的限制会持续地往复摆动寻找平衡点，或直至振动消失才停止摆动；电磁感应模块，包括磁力部件42和感应部件41，磁力部件42设置在u型结构件10的底部，感应部件41设置在底座70，磁力部件42随u型结构件10的摆动而运动，感应部件41设置在磁力部件42的运动路径上，磁力部件42与感应部件41发生电磁感应现象；振动能收集模块，设置在u型结构件10内，振动能收集模块包括调谐液体、阻流体50和压电片60，调谐液体随u型结构件10的摆动而流动，阻流体50与流动的调谐液体产生卡门涡街现象，压电片60接收卡门涡街现象并输出电流；电量收集模块，分别与电磁感应模块和压电片60连接。此环境能收集装置通过u型结构件10感应外部振动环境，u型结构件10在支撑部件上摆动，且u型结构件10受两个弹力部件32的限制会持续地往复摆动，直至振动消失，综合利用电磁感应模块和振动能收集模块进行能量采集，两种不同的能量采集方式集成一体，能够通过吸收环境中的振动能转化为电能，机电转化效率高，安全无污染且能够在野外无人区或恶劣环境中工作，应用范围广，实用性强。

在本实施例中，u型结构件10的底部设有第一镂空结构11、第二镂空结构12、第三镂空结构13，镂空设置在前后两侧壁，第一镂空结构11、第二镂空结构12、第三镂空结构13依次排列，第一镂空结构11的两端设有第一橡胶膜21，第二镂空结构12的两端设有第二橡胶膜22，第三镂空结构13的两端设有第三橡胶膜23，压电片60分别设置在第一橡胶膜21、第二橡胶膜22和第三橡胶膜23上，在镂空的区域使用第一橡胶膜21、第二橡胶膜22和第三橡胶膜23代替，与u型结构件10的管壁之间使用高分子防水胶粘接。

在本实施例中，压电片60为聚偏氟乙烯材质，第一橡胶膜21、第二橡胶膜22和第三橡胶膜23为丁基胶弹性橡胶膜，采集能量密度高。

在本实施例中，阻流体50设置两个，两个阻流体50分别设置在第一镂空结构11和第二镂空结构12之间、第二镂空结构12和第三镂空结构13之间。

在本实施例中，第一镂空结构11和第三镂空结构13有上均设有三对压电片60，第二镂空结构12上设有五对压电片60，各压电片60依次排列，相邻的压电片60间隔相等。

在本实施例中，磁力部件42为条形磁铁，感应部件41为电感线圈，条形磁铁随u型结构件10的摆动间歇地伸入电感线圈内。

在本实施例中，电磁感应模块设置两组，两组电磁感应模块分别设置在u型结构件10的两端。

在本实施例中，u型结构件10与底座70之间的距离为50mm，弹力部件32为弹簧，长度为50mm，三菱柱高度也为50mm。

在本实施例中，u型结构件10由一节横向设置的方管和两节竖向设置的方管以“u”形搭设组成。u型结构件10的截面为方形，尺寸为55*55mm，u型结构件10的长度为340mm，高度为270mm，整个u型结构件10的容积为2.7*10⁶mm³，可装载调谐水的范围为0-2.7kg，可调谐范围大，适用范围广。u型结构件10为透明材质制作而成，优选的，u型结构件10为聚甲基丙烯酸甲酯材质制成的方管。优选的，u型结构件10的顶部设有进液口，方便调节调谐液体的量。

优选的，第一镂空结构11、第二镂空结构12、第三镂空结构13的尺寸分别为70*40mm、150*40mm、70*40mm。阻流体50竖直固定在u型结构件10上，阻流体50的尺寸为20*20*55mm。

在本实施例中，条形磁铁的直径为15mm，对应的电感线圈的内径为25mm，确保u型结构件10摆动时磁铁可以自由穿过电感线圈的内径，使电感线圈周围的磁场发生变化。

一种在本实施例中的环境能收集装置的使用方法，包括以下步骤：

安装环境能收集装置，确保底座70与外部振动环境刚性连接；

根据外部环境振动频率，逐渐向u型结构件10中注入调谐液体，使环境能收集装置的晃动频率与环境的激励频率一致或接近；

用第一导线连接压电片60；

用第二导线连接感应部件41；

将第一导线和第二导线接入电量收集模块，收集输出的电能。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。