一種自激式管道流體壓電俘能器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種自激式管道流體壓電俘能器，屬壓電發(fā)電領域。管道內壁經輻板裝有擾流器和殼體，殼體筒壁兩端裝有帶凸臺的端蓋，銷軸一端設有連接塊、另一端經左端蓋從殼體中伸出且裝有激勵器，銷軸上套有平衡彈簧和限位彈簧，平衡彈簧頂靠在激勵器和左端蓋上，限位彈簧頂靠在左端蓋和連接塊上，電路板裝在連接塊上；壓電振子由金屬基板及壓電片粘接而成，基板兩端及中間分別固定在左右凸臺和連接塊上；平直的壓電振子裝配后變?yōu)閺澢Y構且壓電晶片承受壓應力。特色與優(yōu)勢：將平直壓電振子安裝成彎曲結構并形成自激伸縮振動的俘能器，結構及工藝簡單、成本低；壓電晶片僅受范圍可控的壓應力，可靠性高；易通過增加壓電振子數(shù)和長度提高發(fā)電量。
【專利說明】
一種自激式管道流體壓電俘能器
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于壓電發(fā)電領域，具體涉及一種自激式管道流體壓電俘能器，用于油氣管道監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]油氣管道是國家能源和經濟建設的命脈。因自然腐蝕、自然界不可抗力、尤其是人為偷盜等造成的油氣管道泄漏事件時有發(fā)生，不僅造成了巨大的經濟損失、同時也給其周邊自然環(huán)境造成了嚴重的污染。以往，常采用定期人工巡檢的方法對油氣管線加以維護，但因其鋪設距離長、且常處于人跡罕至或交通不便之處，定期巡檢難以及時發(fā)現(xiàn)泄漏并及時維修，故人們提出了多種類型的管道泄漏監(jiān)測或防盜系統(tǒng)。雖所提出的某些管道泄漏或防盜監(jiān)測報警方法在技術層面已較成熟，但目前我國長輸管道防盜監(jiān)測系統(tǒng)的應用還處于起步階段、尚未得到廣泛應用，其原因之一是其供電問題未得到很好的解決:采用鋪設電纜的方法成本高、且已被不法分子切斷而影響監(jiān)測系統(tǒng)的正常運行；而采用電池供電時使用時間有限、需經常更換，一旦電池電量不足且未及時更換時也無法完成監(jiān)測信息的遠程傳輸。因此，為使油氣管道泄漏及防盜系統(tǒng)得以實際應用，必須首先解決其供電問題。近年來，為滿足各類無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)的自供電需求，人們提出了一種新型的微型壓電發(fā)電裝置，它具有結構簡單、不發(fā)熱、無電磁干擾、集成化高等特點，尤其適于無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)供電。然而，現(xiàn)有的油氣管道壓電發(fā)電裝置大都通過流體渦輪轉動驅動壓電振子振子發(fā)電的，結構復雜、體積大，不適于直徑相對較小的管道;同時，工作中壓電振子雙向彎曲變形、承受交替拉-壓應力，拉應力過大時壓電晶片易破碎、可靠性低。

【發(fā)明內容】

[0003]針對輸油氣管線監(jiān)測的供電難題以及現(xiàn)有壓電發(fā)電裝置應用上的局限性，本發(fā)明提出一種自激式管道流體壓電俘能器。本發(fā)明采用的實施方案是:管道內壁經輻板一安裝有圓柱形擾流器、經輻板二安裝有殼體，擾流器與殼體的中心相互垂直;殼體筒壁右端經螺釘安裝有右端蓋、左端設有左側板，左側板上經螺釘安裝有左端蓋，左端蓋上設有左凸臺、右端蓋上設有右凸臺；銷軸上設有連接塊的一端置于殼體內，另一端經左端蓋中心孔從殼體中伸出且端部經螺母安裝有激勵器，銷軸上套有平衡彈簧和限位彈簧，平衡彈簧左右兩端分別頂靠在激勵器和左端蓋上，限位彈簧左右兩端分別頂靠在左端蓋和連接塊上，電路板經螺釘安裝在連接塊上;壓電振子由金屬基板和金屬基板單側所粘接的兩片壓電晶片構成，金屬基板的左右兩端及中間通過螺釘和壓板分別固定在左右凸臺和連接塊上;壓電振子裝配前的自然狀態(tài)下為平直結構，壓電振子裝配后變?yōu)閺澢Y構、且壓電晶片曲率半徑小于金屬基板曲率半徑，壓電晶片僅承受壓應力；各壓電振子置于連接塊左右兩側的部分分別構成發(fā)電單元I和發(fā)電單元11。
[0004]俘能器組裝后且無流體流動的非工作狀態(tài)下，發(fā)電單元I和發(fā)電單元II的狀態(tài)不同，發(fā)電單兀I中壓電振子彎曲變相量大、發(fā)電單兀II中壓電振子彎曲變形量??；激勵器受過大的外力或平衡彈簧作用使限位彈簧被壓死時，壓電振子h處于發(fā)電單元II中的部分未被拉直、發(fā)電單元I中壓電晶片所受應力小于許用壓應力。
[0005]工作中有流體流過擾流器和激勵器時，流體和擾流器及激勵器之間都產生相互作用。流體動壓力首先使激勵器承受向右的推力，從而迫使平衡彈簧和發(fā)電單元II縮短、發(fā)電單元I伸長，流體速度過高且使平衡彈簧被壓死時，壓電振子在發(fā)電單元I中的部分未被拉直、發(fā)電單元II中壓電晶片所受應力小于其許用應力；同時，流體流經擾流器和激勵器時還會在其后面形成兩行旋轉方向相反、且周期性交替脫落的漩渦，漩渦的交替脫落會引起流體壓力的交替變化，使激勵器前后兩側的流體壓力差交替地變化，從而使激勵器產生左右方向的往復振動;激勵器左右往復振動經銷軸和連接塊傳遞給壓電振子，迫使發(fā)電單元I和II交替地伸長和縮短:銷軸及連接塊向左運動時，平衡彈簧及發(fā)電單元II伸長、限位彈簧及發(fā)電單元I縮短，發(fā)電單元I中壓電晶片所受壓應力增加、發(fā)電單元II中壓電晶片所受壓應力減小;反之，銷軸及連接塊向右運動時，平衡彈簧及發(fā)電單元II縮短、限位彈簧及發(fā)電單元I伸長，發(fā)電單元I中壓電晶片所受壓應力減小、發(fā)電單元II中壓電晶片所受壓應力增加；上述壓電晶片所受的應力交替增加和減小的過程中即將機械能轉換成電能，所生成電能經導線傳輸?shù)诫娐钒宓哪芰哭D換與存儲電路。
[0006]為提高壓電振子發(fā)電能力及可靠性，額定流速且連接塊處于動平衡位置時，發(fā)電單元I和II的形狀及受力狀態(tài)相同，且壓電晶片所受的應力為其許用值的一半;壓電晶片為
0.1mm?0.2mm的PZT4、金屬基板為鈹青銅，金屬基板與壓電晶片的厚度之比為I?2.5。
[0007]優(yōu)勢與特色:①通過安裝的方法將平直壓電振子變成彎曲結構，形成沿管道長度方向的自激勵伸縮振動的俘能器，結構及制作工藝簡單、成本低;②壓電晶片僅工作在壓應力狀態(tài)下、且壓應力范圍可控，可靠性高;③便于通過增加壓電振子數(shù)量和長度的方法提高發(fā)電量。
【附圖說明】
[0008]圖1是本發(fā)明一個較佳實施例中俘能器工作狀態(tài)下的結構示意圖；
[0009]圖2圖1的B部放大圖；
[0010]圖3是圖1的左視圖；
[0011]圖4是圖1的A-A剖視圖；
[0012]圖5是本發(fā)明一個較佳實施例中壓電振子安裝前的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0013]管道a內壁經福板一b安裝有圓柱形擾流器C、經福板二 d安裝有殼體e，擾流器c與殼體e的中心相互垂直;殼體e的筒壁e2的右端經螺釘安裝有右端蓋g、左端設有左側板el，左側板el上經螺釘安裝有左端蓋f，左端蓋f上設有左凸臺fl、右端蓋g上設有右凸臺gl ；銷軸jl上設有連接塊j2的一端置于殼體e內，另一端經左端蓋f的中心孔從殼體e中伸出且端部經螺母安裝有激勵器n，銷軸jl上套有平衡彈簧ml和限位彈簧m2，平衡彈簧ml的左右兩端分別頂靠在激勵器η和左端蓋f上，限位彈簧m2的左右兩端分別頂靠在左端蓋f和連接塊j2上；電路板k經螺釘安裝在連接塊j2上;壓電振子h由金屬基板hI和金屬基板hI單側所粘接的兩片壓電晶片h2構成，金屬基板hi的左右兩端及中間通過螺釘和壓板i分別固定在左凸臺f 1、右凸臺gl和連接塊j2上;壓電振子h裝配前的自然狀態(tài)下為平直結構，壓電振子h裝配后變?yōu)閺澢Y構且壓電晶片h2的曲率半徑小于金屬基板hi的曲率半徑，壓電晶片h2僅承受壓應力;各壓電振子h置于連接塊j2左右兩側的部分分別構成發(fā)電單元I和發(fā)電單元II。
[0014]俘能器組裝后且無流體流動的非工作狀態(tài)下，發(fā)電單元I和發(fā)電單元II的狀態(tài)不同，發(fā)電單兀I中壓電振子h的彎曲變相量大、發(fā)電單兀II中壓電振子h的彎曲變形量小;激勵器η受外力或平衡彈簧jl作用使限位彈簧j2被壓死時，壓電振子h處于發(fā)電單元II中的部分未被拉直、發(fā)電單元I中壓電晶片h2所受應力小于許用壓應力。
[0015]工作中有流體流過擾流器c和激勵器η時，流體和擾流器c及激勵器η之間都產生相互作用。流體動壓力首先使激勵器η承受向右的推力，從而迫使平衡彈簧jl和發(fā)電單元II縮短、發(fā)電單元I伸長，流體速度過高且使平衡彈簧jl被壓死時，壓電振子h在發(fā)電單元I中的部分未被拉直、發(fā)電單元II中壓電晶片h2所受應力小于其許用應力；同時，流體流經擾流器c和激勵器η時還會在其后面形成兩行旋轉方向相反、且周期性交替脫落的漩渦，漩渦的交替脫落會引起流體壓力的交替變化，使激勵器η前后兩側的流體壓力差交替地變化，從而使激勵器η產生左右方向的往復振動;激勵器η的左右往復振動經銷軸jl和連接塊j2傳遞給壓電振子h，迫使發(fā)電單元I和II交替地伸長和縮短:銷軸jl及連接塊j2向左運動時，平衡彈簧ml及發(fā)電單元II伸長、限位彈簧m2及發(fā)電單元I縮短，發(fā)電單元I中壓電晶片h2所受壓應力增加、發(fā)電單元II中壓電晶片h2所受壓應力減小;反之，銷軸jl及連接塊j2向右運動時，平衡彈簧ml及發(fā)電單元II縮短、限位彈簧m2及發(fā)電單元I伸長，發(fā)電單元I中壓電晶片h2所受壓應力減小、發(fā)電單元II中壓電晶片h2所受壓應力增加;上述壓電晶片h2所受的應力交替增加和減小的過程中即將機械能轉換成電能，所生成電能經導線傳輸?shù)诫娐钒錵的能量轉換與存儲電路。
[0016]為提高壓電振子h的發(fā)電能力及可靠性，額定流速且連接塊j2處于動平衡位置時，發(fā)電單元I和II的形狀及受力狀態(tài)相同，且壓電晶片h2所受的應力為其許用值的一半;壓電晶片h2為0.1mm?0.2mm的PZT4、金屬基板hi為鈹青銅，金屬基板hi與壓電晶片h2的厚度之比為I?2.5。
【主權項】
1.一種自激式管道流體壓電俘能器，其特征在于:管道內壁經輻板一安裝有圓柱形擾流器、經輻板二安裝有殼體，擾流器與殼體的中心相互垂直;殼體筒壁的右端裝有右端蓋、左端設有左側板，左側板上裝有左端蓋，左端蓋上設有左凸臺、右端蓋上設有右凸臺；銷軸上設有連接塊的一端置于殼體內，另一端經左端蓋中心孔從殼體中伸出且端部裝有激勵器，銷軸上套有平衡彈簧和限位彈簧，平衡彈簧左右兩端分別頂靠在激勵器和左端蓋上，限位彈簧左右兩端分別頂靠在左端蓋和連接塊上，電路板經螺釘安裝在連接塊上;壓電振子由金屬基板及其單側所粘接的兩片壓電晶片構成，金屬基板左右兩端及中間通過螺釘和壓板分別固定在左右凸臺和連接塊上;壓電振子裝配前為平直結構、裝配后變?yōu)閺澢Y構且壓電晶片曲率半徑小于金屬基板曲率半徑，壓電晶片僅承受壓應力；各壓電振子置于連接塊左右兩側的部分分別構成發(fā)電單元I和發(fā)電單元II;平衡彈簧或限位彈簧被壓死時，壓電振子h處于發(fā)電單元I和II中的部分均處于彎曲狀態(tài)且壓電晶片所受壓應力均小于其許用壓應力；額定流速且連接塊處于動平衡位置時，發(fā)電單元I和II的形狀及受力狀態(tài)相同，且壓電晶片所受的應力為其許用值的一半。
【文檔編號】F16L55/00GK105958867SQ201610459781
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月15日
【發(fā)明人】馬繼杰, 闞君武, 曾平, 王淑云, 呂鵬
【申請人】浙江師范大學