CN112117932A - 一种发电装置以及应用其的健康监测设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发电装置以及应用其的健康监测设备，发电装置包括壳体和发电组件，发电组件设置在壳体中，发电组件包括悬臂部、质量块和弹性件，质量块和弹性件设置在悬臂部上，弹性件的一端设置在壳体的顶壁或底壁上，质量块的重力和弹性件的弹力对悬臂部的作用方向相反；其中，悬臂部包括多个悬臂梁，各悬臂梁沿圆周设置，悬臂梁的一端设置在壳体的内壁上，悬臂梁上设置有压电材料。发电组件将外激励的振动能通过悬臂部的振动有效转化为电能，用于供电，有效解决了供电难的问题。本发明可广泛应用于桥梁工程健康监测技术领域。

Description

一种发电装置以及应用其的健康监测设备

技术领域

本发明涉及桥梁工程健康监测技术领域，特别涉及一种发电装置以及应用其的健康监测设备。

背景技术

振动在自然界中及生活中普遍存在，尤其是交通工具或者机械设备在运行过程中都会产生振动，在这些振动中蕴藏着许多机械能。如果能将这些机械能转化为可供使用的电能，并供给给一些不便充电或者不便更换电池的用电设备使用，那将带来很大的便捷性。

现代桥梁与高层建筑中经常布置有健康监测***，健康监测***通常需要将传感器内嵌于建筑中，若使用有线传感器，存在布线难度大、布线成本高等问题，供电成本高昂；若使用无线传感器，具有电池更换不易的问题，不便于供电。而建筑尤其是桥梁在运行过程中总是会出现不可避免的振动，并且健康监测***中使用的传感器一般耗能较低，若能将该发电装置利用于传感器中，将具有很高的工程实际意义。

发明内容

为解决上述技术问题中的至少之一，有效利用建筑的振动能转化为电能，解决供电难的问题，本发明提供一种发电装置以及应用其的健康监测设备，所采用的技术方案如下：

本发明所提供的健康监测设备包括无线传感器和发电装置，所述发电装置用于向所述无线传感器供电。

本发明所提供的发电装置包括壳体和发电组件，所述发电组件设置在所述壳体中，所述发电组件包括悬臂部、质量块和弹性件，所述质量块和所述弹性件设置在所述悬臂部上，所述弹性件的一端设置在所述壳体的顶壁或底壁上，所述质量块的重力和所述弹性件的弹力对所述悬臂部的作用方向相反；其中，所述悬臂部包括多个悬臂梁，各所述悬臂梁沿圆周设置，所述悬臂梁的一端设置在所述壳体的内壁上，所述悬臂梁上设置有压电材料。

本发明的某些实施例中，所述发电组件设置为多个，各所述发电组件沿所述壳体的轴向依次设置。

本发明的某些实施例中，相邻两个所述发电组件之间，所述弹性件的一端设置在其中一个所述发电组件的悬臂部上，所述弹性件的另一端设置在另一个所述发电组件的质量块或悬臂部上；各所述发电组件层叠设置后，位于最外侧的所述弹性件用于与所述壳体的顶壁或底壁连接。

本发明的某些实施例中，所述压电材料设置在所述悬臂梁的上侧和/或下侧。

本发明的某些实施例中，所述压电材料设置为压电陶瓷或压电聚合物。

本发明的某些实施例中，所述弹性件具有压缩弹性或拉伸弹性。

本发明的某些实施例中，各所述发电组件中的质量块的质量各不相同和/或各所述发电组件中的质量块的尺寸各不相同。

本发明的某些实施例中，各所述发电组件中的弹性件的弹性模量各不相同和/或各所述发电组件中的弹性件的尺寸各不相同。

本发明的某些实施例中，不同的所述发电组件的所述悬臂梁尺寸不同。

本发明的实施例至少具有以下有益效果：发电组件将外激励的振动能通过悬臂部的振动有效转化为电能，用于供电，有效解决了供电难的问题。本发明可广泛应用于桥梁工程健康监测技术领域。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为发电装置的结构示意图，图中显示质量块设置在悬臂部的上侧，为清楚显示质量块和悬臂部等结构，壳体显示为非封闭状态；

图2为图1中发电装置的剖视图，图中显示质量块设置在悬臂部的上侧，弹性件设置在悬臂部的下侧，弹性件设置为压缩弹簧；

图3为悬臂梁的结构示意图。

具体实施方式

下面结合图1至图3详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“中心”、“中部”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”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。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明涉及一种健康监测设备，健康监测设备包括无线传感器和发电装置，发电装置用于向无线传感器供电。进一步地，发电装置设置在无线传感器中，具体地，发电装置采用内嵌的方式设置在无线传感器中。一些示例中，可根据需要调节发电装置的布置方向和数量，以使发电装置能充分吸收主要振动方向的振动能。

发电装置设计为弹簧振子***，将健康监测设备安装在桥梁上，桥梁产生的振动对发电装置提供以上下振动为主的激励，发电装置将振动能转化为电能，通过整流稳压后供给无线传感器使用，实现桥梁健康监测设备的自驱动化。

健康监测设备的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述，以下将对发电装置的结构展开描述。

本发明涉及一种发电装置，发电装置包括壳体101和发电组件，发电组件设置在壳体101中，壳体101的内腔设置为筒状，壳体101密封设置。具体地，发电组件包括悬臂部、质量块102和弹性件103，悬臂部包括多个悬臂梁104，振动时提高发电效益，悬臂梁104采用钢结构或黄铜结构，各悬臂梁104沿圆周设置，悬臂部上的各悬臂梁104呈放射状分布，悬臂梁104具有柔度，悬臂梁104的一端设置在壳体101的内壁上，各悬臂梁104的另一端连接构成悬臂部的中部。悬臂梁104上设置有压电材料105，具体地，压电材料105贴在悬臂梁104的侧面。

质量块102和弹性件103设置在悬臂部上，质量块102的重力和弹性件103的弹力对悬臂部的作用方向相反，当发电装置受到来自外激励的竖直方向分量时，在质量块102的重力和弹性件103的弹力作用下，发电组件产生上下往复振动，悬臂梁104在振动过程中，利用压电材料105的压电效应将振动能转化为电能。一些示例中，质量块102和弹性件103分别设置在悬臂部的两侧，进一步地，为使悬臂部受力均匀，质量块102和弹性件103分别设置在悬臂部侧面的中部。一些示例中，质量块102和弹性件103设置在悬臂部的同侧，具体地，质量块102设置在悬臂部的侧面，弹性件103设置在质量块102上。

本发明的一些实施例中，弹性件103具有压缩弹性，用于支撑悬臂部，例如设置为压缩弹簧，此时发电组件中，弹性件103应设置在悬臂部的下侧。一些示例中，弹性件103具有拉伸弹性，用于悬吊悬臂部，例如设置为拉伸弹簧，此时发电组件中，弹性件103应设置在悬臂部的上侧。

本发明的一些实施例中，发电组件设置为多个，例如设置为三个，各发电组件沿壳体101的轴向依次设置，层叠设置，构成具有多层的弹簧振子***，以提高发电效益。另外，层叠设置的发电装置结构紧凑，可作为小型发电机内嵌于便携式电子设备或无线传感器中，实现设备的自驱动化，并能摆脱传统电磁发电装置对精密电子设备的磁场干扰。进一步地，相邻两个发电组件之间，弹性件103的一端设置在其中一个发电组件的悬臂部上，弹性件103的另一端设置在另一个发电组件的质量块102或悬臂部上，从而各发电组件构成一个整体，当其中一部分受到外激励作用产生振动时，将带动其他部分也产生振动，从而整体产生振动，提高发电效益。各发电组件层叠设置后，位于最外侧的弹性件103用于与壳体101的顶壁或底壁连接，例如：若弹性件103设置为压缩弹簧，则位于底部的发电组件中的弹性件103应设置为与壳体101的底壁连接；若弹性件103设置为拉伸弹簧，则位于顶部的发电组件中的弹性件103应设置为与壳体101的顶壁连接。

本发明的一些实施例中，也可替换设计为发电组件的数量设置为一个，其中，弹性件103的一端设置在壳体101的顶壁或底壁上，弹性件103的另一端用于对悬臂梁104施加弹力，构成弹簧振子***。例如：若弹性件103设置为压缩弹簧，则弹性件103应设置在壳体101的底壁上；若弹性件103设置为拉伸弹簧，则弹性件103应设置在壳体101的顶壁上。

本发明的一些实施例中，压电材料105设置在悬臂梁104的上侧和/或下侧。一些示例中，压电材料105设置在悬臂梁104的上侧或下侧，则悬臂梁104构成单晶压电悬臂梁。一些示例中，压电材料105设置在悬臂梁104的上侧和下侧，则悬臂梁104构成双晶压电悬臂梁。

本发明的一些实施例中，压电材料105设置为压电陶瓷或压电聚合物。一些示例中，压电材料105还可综合使用压电陶瓷和压电聚合物两种材料。压电材料105的选择应根据监测对象的振动模态参数信息和成本考量来选择。

本发明的一些实施例中，各发电组件中的质量块102的质量各不相同和/或各发电组件中的质量块102的尺寸各不相同，根据使用场景的振动模态特征来选择。

本发明的一些实施例中，各发电组件中的弹性件103的弹性模量各不相同和/或各发电组件中的弹性件103的尺寸各不相同，根据使用场景的振动模态特征来选择。

本发明的一些实施例中，不同的质量块102与不同的弹性件103构成具有不同动力特性的多层的弹簧振子***，以使发电装置的不同层适用于不同的频率范围，以提高共振频率范围，更易与环境外激励产生共振，提高发电效益。

本发明的一些实施例中，不同的发电组件的悬臂梁104尺寸不同，根据使用场景的振动模态特征来选择。不同尺寸的悬臂梁104与不同的质量块102构成具有不同自振频率的结构，以提高共振频率范围，以使发电装置中不同层适用于不同的频率范围，更易与环境外激励产生共振，提高发电效益。

本发明的一些实施例中，将发电组件分层设置，各层具有不同的自振频率，但又相互连接在一起，作为一个整体的弹簧振子***，当任一层产生振动时，其他层也会被带动振动，提高发电效益。

在本说明书的描述中，若出现参考术语“一个实施例”、“一些实例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，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。

Claims (10)

1.一种发电装置，其特征在于：包括

壳体(101)；

发电组件，所述发电组件设置在所述壳体(101)中，所述发电组件包括悬臂部、质量块(102)和弹性件(103)，所述质量块(102)和所述弹性件(103)设置在所述悬臂部上，所述弹性件(103)的一端设置在所述壳体(101)的顶壁或底壁上，所述质量块(102)的重力和所述弹性件(103)的弹力对所述悬臂部的作用方向相反；

其中，所述悬臂部包括多个悬臂梁(104)，各所述悬臂梁(104)沿圆周设置，所述悬臂梁(104)的一端设置在所述壳体(101)的内壁上，所述悬臂梁(104)上设置有压电材料(105)。

2.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于：所述发电组件设置为多个，各所述发电组件沿所述壳体(101)的轴向依次设置。

3.根据权利要求2所述的发电装置，其特征在于：相邻两个所述发电组件之间，所述弹性件(103)的一端设置在其中一个所述发电组件的悬臂部上，所述弹性件(103)的另一端设置在另一个所述发电组件的质量块(102)或悬臂部上；各所述发电组件层叠设置后，位于最外侧的所述弹性件(103)用于与所述壳体(101)的顶壁或底壁连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的发电装置，其特征在于：所述压电材料(105)设置在所述悬臂梁(104)的上侧和/或下侧。

5.根据权利要求4所述的发电装置，其特征在于：所述压电材料(105)设置为压电陶瓷或压电聚合物。

6.根据权利要求1或2或3所述的发电装置，其特征在于：所述弹性件(103)具有压缩弹性或拉伸弹性。

7.根据权利要求2或3所述的发电装置，其特征在于：各所述发电组件中的质量块(102)的质量各不相同和/或各所述发电组件中的质量块(102)的尺寸各不相同。

8.根据权利要求2或3所述的发电装置，其特征在于：各所述发电组件中的弹性件(103)的弹性模量各不相同和/或各所述发电组件中的弹性件(103)的尺寸各不相同。

9.根据权利要求2或3所述的发电装置，其特征在于：不同的所述发电组件的所述悬臂梁(104)尺寸不同。

10.一种健康监测设备，其特征在于：包括

无线传感器；

如权利要求1至9任一项所述的发电装置，所述发电装置用于向所述无线传感器供电。

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