一種帶諧振腔的自供能風速計的製作方法

2023-04-25 23:05:46

專利名稱：一種帶諧振腔的自供能風速計的製作方法
技術領域：
本發明屬於測控儀器和可再生能源的交叉領域，特別涉及到風速測量儀器和將環境風能轉換為電能的微能源器件。
背景技術：
風速測量在氣象、煤礦、隧道等的監測中均得到廣泛應用，現有的風速計都需要一個獨立的電源(大多為電池)為其供電，但對於偏遠地區或危險地區的風速監測網絡而言，大批量更換電池或充電不僅耗時、耗力，甚至是難以完成的。因此研製自供能的風速計具有
重要意義。
微型能量採集器(如微型太陽能電池、熱電池、振動能採集器、風能採集器等)具有低成本、小體積、長壽命、易集成、不需更換或充電等諸多優點，是無線傳感網絡節點、自治式微系統等的一種理想電源，近年來受到國內外廣泛關注。風能是自然界廣泛存在的一種可再生清潔能源，將環境風能轉換為電能的微型風能採集器已成為目前國內外微能源研究的熱點。基於風致振動機理的微型風能採集器具有可微型化、結構簡單、易於加工等特點，是微型風能採集器的一種易於實現的技術方案。當風速大於下臨界風速時，基於風致振動機理的微型風能採集器才有較高的輸出功率。目前報導的基於風致振動機理的微型風能採集器的下臨界風速較高(大多在lOm/s左右)。實際應用環境的風速大多低於lOm/s，此時採集器的輸出功率極小，不能滿足應用對象的用電需求，因此開展降低微型風能採集器下臨界風速的研究十分重要。另外，由於環境中的雨水、烈日、碰撞等均可能對採集器的性能均有重要影響，因此研究微型風能採集器的封裝結構對微型風能採集器的實際應用具有重要意義。

發明內容
本發明針對風速計和微型風能採集器在實際應用時遇到的問題，提出了一種帶諧振腔的自供能風速計，該諧振腔不僅可以降低風能採集的下臨界風速，還可以實現對風速計結構的保護。為了實現上述發明目的，本發明採取以下技術方案
一種帶諧振腔的自供能風速計，該自供能風速計包括長方體諧振腔、振動梁、儲能器和頻率計；
所述諧振腔前側開口為入風口，諧振腔側壁的長方形開口為出風口；
所述振動梁由壓電複合梁和柔性梁組成，壓電複合梁包含至少一個壓電層，壓電層的上、下表面均有金屬電極；
所述振動梁安裝於諧振腔側壁出風口處，柔性梁的一端形成自由端，自由端朝入風口方向，並向諧振腔內傾斜，與風向形成一個攻角，振動梁的長度小於出風口的長度，振動梁的寬度小於出風口的寬度；
所述壓電層的金屬電極分別連接儲能器和頻率計，儲能器向頻率計供電。
作為本發明的一種優選方案，所述自由端與風向形成一個5° ^30°的攻角。在風載荷作用下，氣流流入諧振腔後減速，使腔內氣壓升高；柔性梁剛度很小，將向出風口處彎曲，機械回復力使其回到原位；當外界風速在下臨界風速和上臨界風速之間時，柔性梁形成穩定的自激振蕩，使壓電複合梁壓電層內產生周期性形變，在壓電層上、下表面引出金屬電極便可以為儲能器或負載供電，實現風能的獲取與轉換；另一方面，風載荷在振動梁內產生軸向壓力，從而降低了振動梁的抗彎剛度，進一步降低了其固有頻率，頻率隨著風速的增加單調降低，因此當風速在下臨界風速和上臨界風速之間時，利用頻率計測量壓電層輸出電壓的頻率就可以實現對風速的測量。諧振腔結構改變了振動梁附近的流場分布，擴大了作用于振動梁的動風載荷，從而降低了風能採集的下臨界風速，提高了低風速下的輸出功率；當風速在下臨界風速和上臨界風速之間時，通過測量壓電層輸出電壓的頻率就可以實現對環境風速的檢測。與現有技術相比，本發明提出的一種帶諧振腔的自供能風速計具有如下優點 I、本發明提出的帶諧振腔的自供能風速計，其通過引入諧振腔，改變了振動梁附近的流場分布，擴大了作用于振動梁的動風載荷，從而降低了風能採集的下臨界風速，提高了其在低風速下的輸出功率。2、本發明提出的帶諧振腔的自供能風速計，當風速在下臨界風速和上臨界風速之間時，輸出電壓大於給定閾值，壓電層輸出電壓隨風速的增加單調降低，因此通過測量輸出電壓的頻率就可以實現風速的測量。3、本發明提出的帶諧振腔的自供能風速計，諧振腔對振動梁等具有明顯的保護作用，可以有效降低雨水、烈日、碰撞等均對器件的影響，從而提高器件的壽命。


圖I是帶諧振腔的自供能風速計的結構示意 圖2是帶諧振腔的自供能風速計俯視 圖3是帶諧振腔的自供能風速計主視 圖4是帶諧振腔的自供能風速計左視 圖5是實驗測得的輸出電壓有效值與風速的關係 圖6是實驗測得的輸出電壓頻率與風速的關係圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細地描述。如圖I所示，一種帶諧振腔的自供能風速計，包括長方體諧振腔I、振動梁2、儲能器和用於檢測電流或電壓頻率的頻率計(圖中未畫出)。振動梁2由壓電複合梁3和柔性梁4組成，諧振腔I前側開口作為入風口，諧振腔I側壁的長方形開口作為出風口，振動梁2安裝於諧振腔I側壁出風口處，柔性梁4的一端形成自由端，自由端朝向入風口方向，並向諧振腔I內傾斜，與風向形成一個5° ^30°的攻角，振動梁2的長度和寬度小於出風口的長度和寬度，以確保振動梁2可以自由地通過出風口。該自供能風速計的俯視圖、主視圖和左視圖分別見圖2、圖3和圖4。壓電層的金屬電極分別連接儲能器和頻率計，儲能器向頻率計供電。
如圖I所示的帶諧振腔的自供能風速計在風載荷作用下，氣流流入諧振腔I後減速，使腔內氣壓升高；柔性梁4剛度很小，將向出風口處彎曲，機械回復力使其回到原位。當外界風速在下臨界風速和上臨界風速之間時，柔性梁4形成穩定的自激振蕩，使壓電複合梁3的壓電層內產生周期性形變，在壓電層上、下表面引出金屬電極便可以為儲能器或負載供電，實現風能的獲取與轉換。諧振腔I改變了振動梁2附近的流場分布，擴大了作用于振動梁2的動風載荷，從而降低了風能採集的下臨界風速，提高了壓電層在低風速下的輸出功率；另一方面，風載荷在振動梁2內產生軸向壓力，從而降低了其抗彎剛度，進一步降低了其固有頻率，頻率隨著風速的增加單 調降低，因此當風速在下臨界風速和上臨界風速之間時，壓電層的輸出電壓有效值大於給定閾值，通過採用頻率計測量壓電層輸出電壓的頻率就可以實現對風速的測量。為了驗證本發明提出的帶諧振腔的自供能風速計即可以將環境中的風能轉換為電能，同時還具有測量風速的能力，製作了原理樣機。樣機的長方體諧振腔的外部尺寸和內部尺寸分別為64 mmX 22 mmX 14 mm和60 mmX 20 mmX 10 mm，長方體側壁出風口的長度和寬度分別為38 mm和6. 8 mm ;壓電複合梁選用Piezo Systems公司型號為T215-H4-203X的壓電片，柔性梁採用PET材料，壓電複合梁的長度、寬度和厚度分別為18 mm、6.4 mm和O. 38mm，柔性梁的長度、寬度和厚度分別為20 mm、6.4 mm和O. 25 mm ;振動梁與風向的初始夾角約為10 。在小型風洞內對樣機(即本發明的帶諧振腔的自供能風速計)進行測試，當風速從
2.2m/s逐漸增加到16. 5m/s時，測得的壓電層上、下電極之間的開路電壓有效值如圖5所示。由圖5可見，當風速由2. 2m/s增加到2. 9m/s時，壓電層開路電壓略有增加，此時振動梁的振動不是穩定的簡諧振動，開路電壓不穩定，沒有明顯的優勢頻率出現；當風速由2. 9m/s增加到3. lm/s時，開路電壓由133mV陡增到I. 74V，此時振動梁的振動是穩定的簡諧振動，開路電壓呈現為穩定的正弦波，相應的優勢頻率為60. 8 Hz ;風速增加到5. 3m/s時，開路電壓增加到2. 57V，相應的頻率降低到59. O Hz ;當風速進一步增加到9. 6m/s時，開路電壓降低為I. 51V，相應的優勢頻率也降低為52. 3 Hz ;當風速增加到10. 2 m/s時，開路電壓陡然下降到57 mV，振動梁的振動不再是穩定的簡諧振動，開路電壓沒有明顯的優勢頻率，當風速進一步增加到16. 5m/s時，開路電壓約為248 mV。由以上實驗結果可見，樣機的下臨界風速約為3. lm/s，上臨界風速約為9. 6m/s,當風速在下臨界風速和上臨界風速之間時，樣機有較大功率輸出，開路電壓呈現為穩定的正弦波，有明顯的優勢頻率，該優勢頻率隨著風速的增加單調降低(見圖6)，因此通過測量壓電層輸出電壓的頻率，可以實現對風速的定量檢測。以上實驗表明，本發明提出的帶諧振腔的自供能風速計即可以將環境中的風能轉換為電能，同時還具有測量風速的能力，該自供能風速計結構簡單、便於製作，在氣象監測等領域具有廣闊應用前景。最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種帶諧振腔的自供能風速計，其特徵在於該自供能風速計包括長方體諧振腔、 振動梁、儲能器和頻率計；所述諧振腔前側開口為入風口，諧振腔側壁的長方形開口為出風口；所述振動梁由壓電複合梁和柔性梁組成，壓電複合梁包含至少一個壓電層，壓電層的上、下表面均有金屬電極；所述振動梁安裝於諧振腔側壁出風口處，柔性梁的一端形成自由端，自由端朝入風口方向，並向諧振腔內傾斜，與風向形成一個攻角，振動梁的長度小於出風口的長度，振動梁的寬度小於出風口的寬度；所述壓電層的金屬電極分別連接儲能器和頻率計，儲能器向頻率計供電。
2.根據權利要求I所述的一種帶諧振腔的自供能風速計，其特徵在於所述自由端與風向形成一個5° ^30°的攻角。
全文摘要
本發明公開了一種帶諧振腔的自供能風速計，包括長方體諧振腔和振動梁；諧振腔上有入風口和出風口；振動梁由壓電複合梁和柔性梁組成，壓電複合梁包含至少一個壓電層；振動梁安裝於諧振腔側壁出風口處，其自由端朝入風口方向，並與風向形成一個攻角，振動梁的長度和寬度小於出風口的長度和寬度；壓電層的金屬電極分別連接儲能器和頻率計。諧振腔改變了流場分布，降低了風能採集的下臨界風速，提高了低風速下的輸出功率；風載荷在振動梁內產生軸向壓力，降低了其抗彎剛度和固有頻率，當風速在下臨界風速和上臨界風速之間時，壓電層輸出電壓高於給定閾值，利用頻率計測量壓電層輸出電壓的頻率就可以實現對風速的測量。
文檔編號H02N2/18GK102707084SQ20121019930
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月15日 優先權日2012年6月15日
發明者杜志剛, 賀學鋒 申請人:重慶大學