[发明专利]基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置

说明书

技术领域

本发明涉及隧道工程健康监测领域，具体涉及一种基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置。 

背景技术

隧道工程投入使用后,随着使用年限的增加，结构老化问题日益凸显，隧道病害不断发育。受运营环境、地质条件、地下水、施工质量和材料性能等多方面因素影响，隧道病害分布具有离散性和时效性。鉴于隧道病害的上述特点，对隧道健康监测传感器的灵活布置、按需增减、及持续运行的能力提出了更高要求。 

现有的结构监测用无线传感器普遍采用外接电路供电与电池供电两种方式。而在现阶段各类型公路隧道中供电系统并未专门为安置于隧道的检测仪器提供单独电路，且对于低压供电系统的每一单项分支回路的插座设置一般不宜多于十个，加之于铺设电路的巨大投入，外接电路供电难以实施。对于采用电池为隧道内的无线监测仪器供电的方式，存在着供电时间短，更换电池繁琐，不环保等问题，尤其对于某些需要24小时不间断运行的仪器来说，电池有限的使用时间无法满足其测量需求且维护成本巨大。隧道由于其特殊的环境，太阳能发电，风力发电等传统清洁能源无法在其中得到有效使用。 

由于隧道内行车的随机性，隧道洞壁振动具有不确定的振动方向、振动频率和振动幅度。对于将上述振动能转化为电能的需求，利用压电材料发电的方式是最佳选择。在各式压电发电装置中，振动杆梁式压电发电装置被广泛应用于振动能量的收集。但多数振动杆梁压电发电装置振子只在单一方向上振动，且自振频率不可调。而已有的振动杆梁压电发电装置自振频率调节方式无论是改变振子质量、变更振动杆长度或是外加磁场，都必须依靠人工调节，并且在设备发电过程中无法调节。与此同时，已有的多方位振动振子更无法实现自振频率调节的功能。上述压电发电装置在隧道的特殊环境中无法充分发挥作用，无法为无线传感器提供充足持续的电能。 

因此，需要一种新的基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置以解决上述问题。 

发明内容

发明目的：为解决上述现有技术中无线传感器无法充足持续供电的缺陷，提供一种可以吸收各个方向振动的基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置。 

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置采用如下技术方案： 

一种基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置，包括无线监控装置和多向压电振动能量收集装置，所述多方向压电振动能量收集装置为所述无线监控装置供电，所述多方向压电振动能量收集装置包括基座、振动杆和至少三个L型压电发电晶片，所述振动杆与所述基座垂直并分离，所述L型压电发电晶片的一端固定连接所述振动杆，另一端固定连接所述基座，所述L型压电发电晶片均匀分布在所述振动杆的四周。

更进一步的，所述无线监控装置为监测传感器和/或隧道壁振动频率监测装置。 

更进一步的，还包括蓄电池，所述多向压电振动能量收集装置为所述蓄电池充电，所述蓄电池为所述监测传感器供电。所述多向压电振动能量收集装置采集的振动能转化为电能存储于蓄电池中，用于监测传感器的持续供电。 

更进一步的，所述多向压电振动能量收集装置还包括磁场变化器和磁性质量块，所述振动杆远离所述基座的一端设置有磁性质量块，所述磁场变化器设置在所述磁性质量块侧面。通过在磁性质量块的侧面设置磁场变化器，通过控制磁场变化器的磁场变化控制磁性质量块的外加磁场。通过在振动杆远离所述基座的一端设置永磁体，利用永磁铁之间力的作用来控制振动杆与隧道壁振动的共振效应，从而最大限度的吸收洞壁振动能。 

更进一步的，所述L型压电发电晶片的数量为3个。利用最少三个L型压电发电晶片就可以实现各个方向的振动能量采集。 

更进一步的，所述振动杆的横截面形状为正三角形。当L型压电发电晶片的数量为3个时，方便L型压电发电晶片均匀布置在振动杆的四周。 

更进一步的，还包括第一支架和第二支架，所述第一支架和第二支架均为正三角形，所述L型压电发电晶片的一边与所述基座平行，所述L型压电发电晶片的另一边与所述基座垂直，垂直于所述基座的所述L型压电发电晶片的边固定在所述第一支架的角上，平行于所述基座的所述L型压电发电晶片的边固定在所述第二支架的角上。第一支架和第二支架方便对L型压电发电晶片进行固定。