[发明专利]涵道式压电-电磁复合宽频能量采集装置

说明书

本发明公开了一种将压电支撑梁和悬浮式电磁谐振单元相结合的宽频能量采集装置,该装置可以固定在桥梁路面采集路面振动能量或者安装在高空桥梁钢架上采集高空气流能量。其中悬浮式电磁谐振单元可作为压电支撑梁的末端负载质量，主要利用电磁感应原理收集低频段的路面振动能量；其中压电支撑梁作为薄梁结构体和外界气流进行流固耦合产生流致振动，并可通过压电支撑梁上的质量滑块调节压电支撑梁的谐振特性，主要通过正压电效应收集中、高频段流致振动能量。

技术领域

本发明涉及一种涵道式多支撑梁压电-电磁复合宽频能量采集装置，可以高效地采集不同频带段的桥面振动或高速气流致振动能量，该装置可以为用于桥梁结构健康监测的无线传感器节点供电。

背景技术

结构健康监测指对桥梁等建筑物的构件工作状态、结构物理状态进行实时监测。随着桥梁跨度的不断提高，为保证监测数据的实时性和全面性，对传感器的数量和安装位置都有一定要求，导致后期传感器节点电池的更换和维护会面临较大困难。能量采集技术可以代替传统电池解决低功耗无线传感器供电问题，提升桥梁结构健康无线监测系统的稳定性和工作寿命。

目前振动能量采集技术主要分为三类：电磁式、压电式和静电式，其中电磁式和压电式使用较为广泛。电磁式能量采集系统结构简单、输出电流大但输出电压低且工作频段较低；压电式能量采集系统输出电压高、易集成但电源内阻大且工作频段较高。大跨度桥梁结构振动的诱因呈现多样化，包括车辆行驶导致的桥面振动以及高空自然风导致的桥梁拉索振动等，目前单一形式的能量采集系统存在工作频带较窄、无法自适应不同的振动环境、能量采集效率较低等缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供适于采集桥面低频振动以及高空气流致高频振动的工作频带宽、谐振频率可调、能量利用效率高的压电-电磁复合能量采集装置。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种涵道式压电-电磁复合宽频能量采集装置，其包括：

空腔柱体，其内部中空，具有开口端及安装座，且通过所述安装座固定至安装表面；

至少一个悬浮式电磁采集模块，其分别由至少两个压电支撑梁的一端支撑在所述空腔柱体内，所述压电支撑梁的另一端固定在所述空腔柱体内壁上，所有悬浮式电磁采集模块的中轴线与空腔柱体中轴线对准，当悬浮式电磁采集模块有两个以上时，间隔排列。

优选地，每一压电支撑梁上设有能够在压电支撑梁上滑动的质量块，从而改变压电支撑梁的谐振频率。

优选地，所述至少两个压电支撑梁相对于悬浮式电磁采集模块对称排列。

优选地，所述至少两个压电支撑梁相对于悬浮式电磁采集模块对称排列包括所述至少两个压电支撑梁围绕悬浮式电磁采集模块以等夹角方式排列。

优选地，不同悬浮式电磁采集模块的压电支撑梁在空腔柱体径向方向上相对于彼此偏置，以减少压电支撑梁在空腔柱体轴线方向上的相互遮蔽，从而使前一层压电支撑梁处的气流衰减不会过多影响后一层压电支撑梁处的流固耦合激励。

优选地，所述至少两个压电支撑梁为四个压电支撑梁，相邻压电支撑梁形成90度夹角。

优选地，所述开口端呈喇叭状。

优选地，所述悬浮式电磁采集模块包括电磁谐振壳体、线圈、上固定永磁体、可移动永磁体、下固定永磁体，其中上固定永磁体和下固定永磁体分别固定在电磁谐振壳体两端，线圈设置在电磁谐振壳体中段，可移动永磁体在上固定永磁体和下固定永磁体的磁极互斥作用下悬浮在电磁谐振壳体内，在受外力作用时在线圈内运动。

优选地，所述空腔柱体为圆柱形。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：