一种应用于管道流体监测的压电俘能器制造技术

本发明专利技术涉及一种应用于管道流体监测的压电俘能器，属新能源和压电发电领域。管道内壁经轴的一端装有叶轮，位于管道中心。轴的另一端装有条形永久磁铁，位于管道外壁。轴由轴承与轴承座支撑竖直安装于管道上方。压电振子由金属基板、压电片以及条形永久磁铁粘接而成，金属基板一端连接在金属外壳内部，自由端连接永磁铁，表面粘有压电片。电路板装在外壳内部正中心，外壳安装在管道上部。特色与优势：利用永磁铁之间的相互作用力，形成稳定压电俘能器。结构及工艺简单、成本低，无加速度突变，振动稳定性强，发电能力强，可靠性高；可通过增加压电振子数和长度提高发电量。

A piezoelectric trapping device used for pipeline fluid monitoring

The invention relates to a piezoelectric power capture device applied to pipeline fluid monitoring, which belongs to the field of new energy and piezoelectric power generation. One end of the pipe wall beam with the impeller, at the center of the pipe. The other end of the shaft is equipped with a permanent magnet, located in the outer wall of the pipe. The shaft is erected vertically from the bearing and bearing seat to the top of the pipe. The piezoelectric vibrator is bonded by metal substrate, piezoelectric chip and bar permanent magnet. One end of the metal substrate is connected to the inner part of the metal shell, and the free end is connected to the permanent magnet, and the surface is bonded with piezoelectric patches. The circuit board is installed in the center of the outer shell, and the outer shell is mounted on the upper part of the pipe. Characteristics and advantages: using the mutual force between the permanent magnet to form a stable piezoelectric trapping device. The structure and technology are simple, low cost, no acceleration mutation, strong vibration stability, strong power generation capability and high reliability. It can increase power generation by increasing the number and length of piezoelectric vibrators.

【技术实现步骤摘要】
一种应用于管道流体监测的压电俘能器
本专利技术属于新能源和压电发电领域，具体涉及一种应用于管道流体监测的压电俘能器，用于流体管道监测系统。
技术介绍
管道流体（包括油气管道，南水北调工程，西气东输工程。）是国家能源和经济建设的命脉。因自然腐蚀、自然界不可抗力、尤其是人为偷盗等造成的管道流体泄漏事件时有发生，不仅造成了巨大的经济损失、同时也给其周边自然环境造成了严重的污染。以往，常采用定期人工巡检的方法对流体管道线路加以维护，但因其铺设距离长、且常处于人迹罕至或交通不便之处，定期巡检难以及时发现泄漏并及时维修，故人们提出了多种类型的管道泄漏监测或防盗系统。虽所提出的某些管道泄漏或防盗监测报警方法在技术层面已较成熟，但目前我国长输管道防盗监测系统的应用还处于起步阶段、尚未得到广泛应用，其原因之一是其供电问题未得到很好的解决。采用铺设电缆的方法成本高、且已被不法分子切断而影响监测系统的正常运行；而采用电池供电时使用时间有限、需经常更换，一旦电池电量不足且未及时更换时也无法完成监测信息的远程传输。因此，为使流体管道泄漏及防盗系统得以实际应用，监测系统的自供电问题是首先要解决的。
技术实现思路
针对流体管道监测系统的供电难题，本专利技术一种应用于管道流体监测的磁激式压电俘能器。本专利技术采用的实施方案是：管道内壁经轴的一端装有叶轮，水平位于管道中心。轴竖直安装于管道孔内，轴的另一端装有两极（含有N、S极）条形永久磁铁，位于管道外壁。轴由轴承与轴承座支撑竖直安装于管道上方，用螺丝紧固连接在管道外壁。压电振子由金属基板、压电片以及单极条形永久磁铁粘接而成，金属基板一端经螺丝连接在金属外壳内部，表面粘接有压电片，自由端连接有单极条形永久磁铁，压电振子I的金属基板末端连接有单极（N）条形永久磁铁，压电振子II的金属基板末端连接有单极（S）条形永久磁铁，压电振子竖直悬挂，三个永久磁铁位于同一水平位置，彼此有一定相等距离，电路板经螺丝装在外壳内部正中心，金属外壳用螺丝安装在管道上部。俘能器组装后且无流体流动的非工作状态下，压电振子I和压电振子II的状态是静态平衡，由于两个压电振子自由端的磁铁具有相同的磁矩，在非工作状态即轴上的永久磁铁垂直放置时，两压电振子受力平衡处于静态平衡状态，呈现垂直悬挂状态。工作中有流体管道时，流体和叶轮之间都产生相互作用力。流体动压力使叶轮承受向右的推力，从而迫使由滚动轴承支撑的轴发生顺时针转动。而轴的转动带动装有两极条形永久磁铁的另一端发生顺时针转动，左方的压电振子的自由端单极条形永久磁铁会受到轴上永久磁铁的斥力而向左方偏转，压电振子产生扰度，从而压电片发生变形，当轴转动90°时，压电片的变形最大，同理可得，右方的压电振子在轴顺时针转动时，压电振子向右偏转，当轴转动90°时，压电振子产生最大扰度，压电片的变形最大。当轴转动在90°和180°之间时，左方压电振子与右方压电振子受到轴上两极永久磁铁的斥力逐渐变小，压电振子慢慢往中间偏转，当轴转动到180°时，左右两压电振子回到新的静力平衡状态。此时压电振子没有变形，没有扰度的产生。轴转过180°时，轴端永久磁铁与压电振子自由端的永久磁铁磁极的变化，两压电振子受到向中部的引力，从而使两压电振子向内产生偏转。当轴转动270°时，压电振子产生最大扰度，压电片的变形最大。当轴转动在270°和360°之间时，左方压电振子与右方压电振子受到轴上两极永久磁铁的引力逐渐变小，压电振子慢慢往外部间偏转，当轴转动到360°时，左右两压电振子回到最初的静力平衡状态。此时压电振子没有变形，没有扰度的产生。当轴转动时，上述压电振子所受的斥力与引力是交替变化的，从而使压电振子左右偏转振动，振动过程将压电振子的振动能通过压电片转化为电能，所生成电能经导线传输到电路板的能量转换与存储电路。为提高压电振子发电能力及可靠性，永久磁铁选用钕铁硼磁铁，具有强磁性；压电晶片为0.2mm的PZT-51材料、金属基板为铍青铜，金属基板与压电晶片的厚度之比为1～2.5。优势与特色：①利用永磁铁之间的相互作用力，形成稳定的压电俘能器，结构及制作工艺简单、成本低，发电能力强。②压电振子在永磁铁的作用下，激震力逐渐增加，不存在突然地增加，激震加速度没有突变，可靠性高；③可通过增加压电振子数量和长度的方法提高发电量。图1是本专利技术一个较佳实施例中俘能器的结构示意图；图2是非工作状态下的静态平衡结构示意图；图3是本专利技术中轴转了90°状态的结构示意图；图4是本专利技术中轴转了270°状态的结构示意图；图5本专利技术中较佳实例中俘能器的电压与轴的转速的特性曲线；图6本专利技术中较佳实例中俘能器的功率与轴的转速的特性曲线。具体实施方式:管道a内壁经轴b的一端装有叶轮c，水平位于管道中心。轴b竖直安装于管道a孔内，轴b的另一端装有两极（含有N、S极）条形永久磁铁g，位于管道a外壁。轴承j与轴承座i配合安装管道a正上方，用螺丝紧固连接在管道a外壁。压电振子1由金属基板e2、压电片e3以及单极(N)条形永久磁铁e1粘接而成，金属基板e2一端经螺丝连接在金属外壳d内部，表面粘接有压电片e3，压电振子II由金属基板h2、压电片h3以及单极(N)条形永久磁铁h1粘接而成，金属基板h1一端经螺丝连接在金属外壳d内部，表面粘接有压电片h3,金属基板自由端连接有单极（S）条形永久磁铁h1，压电振子竖直悬挂，三个永久磁铁g、h1、e1位于同一水平位置，彼此有一定相等距离，电路板f经螺丝装在外壳d内部正中心，金属d外壳用螺丝安装在管道a上部。俘能器组装后且无流体流动的非工作状态下，压电振子I和压电振子II的状态是静态平衡，由于两个压电振子自由端的磁铁具有相同的磁矩，在非工作状态即轴b上的永久磁铁g垂直放置时，两压电振子受力平衡处于静态平衡状态，呈现竖直悬挂状态。工作中有流体管道a时，流体和叶轮c之间都产生相互作用力。流体动压力使叶轮c承受向右的推力，从而迫使由滚动轴承j支撑的轴b发生顺时针转动。而轴b的转动带动装有两极条形永久磁铁g的另一端发生顺时针转动，压电振子I的自由端单极条形永久磁铁h1会受到轴上永久磁铁g的斥力而向左方偏转，压电振子产生扰度，从而压电片h3发生变形，当轴转动90°时，压电片h3的变形最大，同理，压电振子II在轴顺时针转动时，压电振子向右偏转，当轴b转动90°时，压电振子产生最大扰度，压电片e3的变形最大。当轴转动在90°和180°之间时，压电振子I与压电振子II受到轴b上两极永久磁铁g的斥力逐渐变小，压电振子慢慢往中间偏转，当轴b转动到180°时，两压电振子回到新的静力平衡状态。此时压电振子没有变形，没有扰度的产生。轴转过180°时，轴b端永久磁铁g与压电振子自由端的永久磁铁磁极的变化，两压电振子受到向中部的引力，从而使两压电振子向内产生偏转。当轴转到270°时，压电振子产生最大扰度，压电片的变形最大。当轴转动在270°和360°之间时，压电振子I与压电振子II受到轴b上两极永久磁铁g的引力逐渐变小，压电振子慢慢往外部间偏转，当轴转动到360°时，两压电振子回到最初的静力平衡状态。此时压电振子没有变形，没有扰度的产生。当轴转动时，上述压电振子所受的斥力与引力是交替变化的，从而使压电振子左右偏转振动，振动过程将压电振子的振动能通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于管道流体监测的压电俘能器，其特征在于：管道内壁经轴一端装有叶轮，水平位于管道中心，轴竖直安装于管道孔内，轴的另一端装有两极（含有N、S极）条形永久磁铁，位于管道外壁，轴由轴承与轴承座支撑竖直安装于管道上方，用螺丝紧固连接，压电振子由金属基板、压电片以及单极条形永久磁铁粘接而成，金属基板一端经螺丝连接在金属外壳内部，表面粘接有压电片，自由端连接有单极条形永久磁铁，压电振子I金属基板自由端连接有单极（N）条形永久磁铁，压电振子II金属基板自由端连接有单极（S）条形永久磁铁,压电振子竖直悬挂，三个永久磁铁位于同一水平位置，彼此有一定相等距离，电路板经螺丝装在外壳内部正中心，金属外壳用螺丝安装在管道上部。

【技术特征摘要】
1.一种应用于管道流体监测的压电俘能器，其特征在于：管道内壁经轴一端装有叶轮，水平位于管道中心，轴竖直安装于管道孔内，轴的另一端装有两极（含有N、S极）条形永久磁铁，位于管道外壁，轴由轴承与轴承座支撑竖直安装于管道上方，用螺丝紧固连接，压电振子由金属基板、压电片以及单极条形永久磁铁粘接而成，金属基板一端经螺丝连接在金属外壳内部，表面粘接有压电片，自由端连接有单极条形永久磁铁，压电振子I金属基板自由端连接有单极（N）条形永久磁铁，压电振子II金属基板自由端连接有单极（S）条形永久磁铁,压电振子竖直悬挂，三个永久磁铁位于同一水平...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑学军，王永峰，苏亮，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43