风致振动能量采集器驱动的无线风速传感器

发布时间：2019-11-11 09:01

【摘要】：针对气象观测、煤矿/隧道/通风管道运行状况监测等的需求,设计了一个由带谐振腔的风能采集器供电的无线风速传感器,该无线传感器包括两个带谐振腔的风能采集器,其中一个用于风能采集,另一个用于风速测量。当风速在特定区间变化时,采集器将发生强烈振动,将风能转换为电能。由于采集器的振动频率随风速单调递减,因此在建立采集器振动频率与风速的关系后,通过测量振动频率就可以实现对风速的测量。实验结果表明,自供能无线风速传感器在8.5~12.1m/s风速范围内可以正常工作,灵敏度为1.45Hz·s/m,当风速为12.1m/s时,自供能无线风速传感器每隔30s可以测量并发送一次风速信息,基本可以满足通风管道运行状况监测的要求。
【图文】：

风能,压电式,采集器,谐振腔

风速的功能。本文设计的风能驱动的无线风速传感器主要包括两个压电式风能采集器，其中一个用于采集环境中的风能，另一个用于测量风速。１风能采集及风速测量的结构与工作原理为了提高风能采集效率，受口琴结构启发，设计了图１所示的带谐振腔的压电式风能采集器［２０－２１］。采集器主要由长方体谐振腔和悬臂梁构成，其中谐振腔相当于口琴的琴格，上有入风口和出风口各一个，悬臂梁相当于口琴的簧片，悬臂梁由压电复合梁和柔性梁两段组成，谐振腔的前面开口作为入风口，侧壁开口作为出风口，悬臂梁安装于谐振腔侧壁出风口处，其自由端朝入风口方向，并与风向形成一个攻角α，悬臂梁的长度和宽度略小于出风口的长度和宽度，以便其在振动过程中不会与谐振腔碰撞，，攻角α可通过悬臂梁的迎风垂直高度来控制。图１带谐振腔的压电式风能采集器结构示意图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆａｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｗｉｎｄｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｅｒｗｉｔｈａｒｅｓｏｎａｎｔｃａｖｉｔｙ风吹入谐振腔后减速，使腔内气压升高，当攻角α不大时，悬臂梁将向出风口处弯曲，机械回复力使其回到原位。当风速在上临界风速和下临界风速之间时，悬臂梁产生稳定的自激振荡，带动压电复合梁产生周期性形变，导致压电复合梁压电层上、下表面的电极之间产生一个交变的电压，利用该电压即可为储能器或负载供电，实现风能的获取与转换。另外，风对悬臂梁的作用可等效为静态风载荷和动态风载荷，静态风载荷将导致悬臂梁形状和内力的变化，由于几何非线性和应力刚化效应，这种变化将引起悬臂梁固有频率的变化［２２］，当风速变化时，作用于悬臂梁的静态风载荷和动态风载荷均要变化，因此通过测量

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率即约为悬臂梁结构的一阶固有频率［２３－２４］，因此只要计算出采集器交变电压的频率就可以得到采集器的一阶固有频率，进而实现对风速的测量。不同环境的风速范围往往不同，因此需要根据实际应用环境确定工作风速范围，并进一步确定采集器的尺寸。研究表明，柔性梁和压电梁的尺寸、谐振腔尺寸、攻角等均会导致采集器临界风速和输出性能的变化［２０，２５］。为了在不需外加电源条件下实现风速测量，制作了两个带谐振腔的压电式风能采集器样机，其中一个用于风能采集，另一个用于风速测量，样机如图２所示。谐振腔的材料为铁，通过线切割工艺加工制作，谐振腔的内部尺寸为６２ｍｍ×１９．６ｍｍ×１０ｍｍ。压电梁采用ＰｉｅｚｏＳｙｓｔｅｍｓ公司的Ｔ２１５－Ｈ４－２０３Ｙ压电片，尺寸为２５．８ｍｍ×６．４ｍｍ×０．３８ｍｍ。压电复合梁结构的上、下层采用压电ＰＺＴ－５Ｈ材料，两个压电层的极化方向相同，在电学上是并联的，中间金属层（铜）作为上下两压电层的公共电极，在上压电层上表面和下压电层下表面也覆有金属层并作为引出电极，压电层厚度为１３９μｍ，中间金属铜层厚度为１０２μｍ。柔性梁采用ＰＥＴ材料，尺寸为２８ｍｍ×６．４ｍｍ×０．２５ｍｍ，通过ＡＢ胶将柔性梁和压电复合梁粘接固定，粘接重叠部分长度为８ｍｍ。除了固定部分外，悬臂梁总长为３８ｍｍ，略小于谐振腔顶部的开口长度，悬臂梁的宽度略小于谐振器出风口的宽度。实验表明，悬臂梁攻角对其输出性能有重要影响，当悬臂梁迎风垂直高度在２～４ｍｍ时，采集器电学输出较大，并且下临界风速较低［２５］，因此组装的两个风能采集器样机的悬臂梁迎风垂直

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