[发明专利]一种自供电风向仪

说明书

本发明涉及一种自供电风向仪，属风力测量技术领域。摆盘盘体上方设有半轴并装有传感器，盘体下设有凸台和环台、装有电路板；传感器均布在以半轴中心为圆心的圆周上；装有帆布的帆架套筒套在半轴上；帆架底盘经一组滚珠压在摆盘盘体上；帆架底盘下方嵌有对称于半轴两侧的两个磁铁；外壳体装在底座上，激励器连接板装在底座凸台上，激励器连接板上设有摆杆，摆杆上设有激励盘，激励盘上设有螺柱，螺柱与摆盘凸台相连；底座凸台的侧壁上均布地装有由片簧及其两侧对称配置的压电振子构成的发电单元，片簧自由端与激励盘外缘接触但无相互作用力；压电振子由基板和压电片粘接而成，基板自由端设有翻边，基板靠近片簧安装且翻边顶靠在片簧上。

技术领域

本发明属风力测量技术领域，具体涉及一种自供电风向仪。

背景技术

风向风速测量技术在气象、民航、公路与桥梁及采矿等行业都有广泛的应用需求。目前，用于风向风速测量的新型传感器、数据采集与处理技术等都取得了长足的发展，其中便携式数字式风速测量仪在工业生产中已获得广泛的实际应用。然而，野外自然环境中风向风速测量方面还有一些急需解决的关键问题，如数据采集、处理及持续远程传输的能量供应问题，测量系统的低风速启动问题，等等。

发明内容

本发明提出一种自供电风向仪，本发明采用的实施方案是：摆盘的盘体上方设有半轴并经螺钉安装有传感器，盘体下方的中心处设有带螺纹孔的凸台、外缘处设有环台，摆盘的盘体下方经螺钉安装有电路板，电路板上设有能量转换电路、运算处理电路与信息发射系统；传感器均布在以半轴中心为圆心的圆周上，传感器由等厚的镍基板与压电膜粘接而成，压电膜的直径与镍基板可变形部分的直径之比为0.8，压电膜朝下安装；帆架由相互垂直的套筒和底盘构成，套筒套在半轴上并可绕半轴转动，套筒上安装有帆布；帆架的底盘经一组滚珠压在摆盘的盘体上，滚珠置于底盘的沉孔内并可转动；帆架的底盘下方镶嵌有两个磁铁，磁铁中心与传感器中心位于同一圆周上，磁铁对称安装在半轴两侧。

外壳体经螺钉安装在底座上，激励器的连接板经螺钉安装在底座凸台上，激励器的连接板上设有摆杆，摆杆上端设有激励盘，激励盘上方设有螺柱，螺柱与摆盘的凸台经螺纹相连接，外壳体上端置于摆盘的环台内；底座凸台的侧壁上经压板和螺钉均布地安装有发电单元，发电单元由片簧及其两侧对称配置的压电振子构成，片簧及压电振子的一端经压板压接在底座凸台的侧壁上，片簧的自由端与激励盘外缘接触但无相互作用力；压电振子由基板和压电片粘接而成，基板自由端设有翻边，基板靠近片簧安装且基板自由端的翻边顶靠在片簧上。

本发明中，压电振子安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，非工作时压电片上所承受的最大压应力为其许用值的一半，压电振子上两层结构端部的变形量为其许用值的一半，即其中：Z为非工作时压电振子上两层结构端部的变形量，B＝1-α+αβ，A＝α⁴(1-β)²-4α³(1-β)+6α²(1-β)-4α(1-β)+1，α＝h_m/H，β＝E_m/E_p，h_m和H分别为基板的厚度和压电振子总厚度，E_m和E_p分别为基板和压电片的杨氏模量，k₃₁和分别为压电陶瓷材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子两层结构部分的悬臂长度。

环境中有风吹过时，帆布与风的耦合作用将迫使帆架、摆盘及激励器摆动，再经激励盘及片簧的相互作用使压电振子的状态发生变化：片簧弯曲变形时，片簧一侧压电振子变形量增加、另一侧压电振子变形量减小，当激励器的摆杆变形过大并使摆盘的环台与外壳体相接触时，变形量逐渐增加的压电振子变形量小于其许用值；压电振子变形量交替增加与减小的过程中压电片的应力交替地增加和减小，从而将机械能转换成电能，此为压电发电过程；所生成的电能经导线传输到电路板上，经转换处理后用于风向信号的处理计算与发射。