一种基于锯齿形结构的压电传感器及自供电振动监测装置

1.本发明属于建筑物监测技术领域；具体涉及一种基于锯齿形结构的压电传感器及自供电振动监测装置。


背景技术：

2.在大型工程机械中(比如高铁、地铁等)，时常会因为环境或者自身的原因，产生振动；为保证大型建筑结构的长期可靠性，对于这些振动部件的监测受到重点关注。为了对建筑结构状况进行全生命周期监测，需要无线传感网络的配合。设计合理的装置结构，充分利用环境中的振动，使结构同时具有大输出信号的传感功能以及能量收集功能，对工程机械结构的监测具有重要意义。
3.压电pvdf(聚偏二氟乙烯)传感器，由于其具有优良的压电效应、抗老化、耐化学药品、耐气候、耐紫外线等优良的特性，能适用于较恶劣环境下使用，目前其在应变测量方向展现出巨大的应用前景。
4.目前，压电pvdf传感器对压电pvdf薄膜的应用，大多是应用某一方向压电效应，如d31或d33，不能充分利用pvdf压电薄膜的特性，所产生信号较小；并且，应用在结构上时，需要贴附在结构表面，不易安装与维护。为监测结构的振动，并充分利用振动能量，本发明提出一种非接触式振动传感与能量收集一体化装置。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于锯齿形结构的压电传感器及自供电振动监测装置，实现了对外界振动的感知以及宽频带振动能量的收集。
6.第一方面，本发明提供一种基于锯齿形结构的压电传感器，其包括承压块、锯齿形压电薄膜和基体。锯齿形压电薄膜设置在承压块与基体之间。所述承压块与基体的相对侧面呈现相互匹配的锯齿状结构。锯齿形压电薄膜上形成多个与承压方向的法平面具有倾斜角度θ的倾斜压电膜单元。倾斜角度θ满足以下条件：
[0007]-d
33
×
cosθ+d
31
×
sinθ≥d
33
[0008]
其中，d
33
、d
31
分别为锯齿形压电薄膜的d33模式、d31模式的压电常数。
[0009]
作为优选，所述倾斜角度θ的取值使得-d
33
×
cosθ+d
31
×
sinθ达到最大。
[0010]
作为优选，所述的锯齿形压电薄膜上设置有相互平行且依次等间隔排列的多条折痕。相邻两条折痕的弯折方向相反。各折痕将锯齿形压电薄膜分隔为依次排列的多个倾斜压电膜单元。
[0011]
作为优选，所述的承压块、锯齿形压电薄膜各有两个；两张锯齿形压电薄膜设置在基体的两个相互正对的侧面上；两个承压块设置在两张锯齿形压电薄膜的相反侧面上。
[0012]
作为优选，所述锯齿形压电薄膜的材质为pvdf压电薄膜；倾斜角度θ的取值满足以下条件“0
°
《θ《69.7
°”
。
[0013]
第二方面，本发明提供一种非接触式振动传感与能量收集一体化装置，其包括支
架、压电振子、压电传感器和第一永磁体。压电振子和压电传感器通过支架连接固定。所述的压电振子包括弹性基板、压电陶瓷片和第二永磁体。压电陶瓷片固定在弹性基板上；弹性基板的内端与支架固定。第二永磁体固定在弹性基板的外端。
[0014]
所述的压电传感器的结构与前述的基于锯齿形结构的压电传感器的结构相同。压电传感器的其中一个承压块与支架固定。压电传感器的另一个承压块固定有第一永磁体，或本身具有磁性作为第一永磁体。第一永磁体与第二永磁体对齐且相斥。
[0015]
作为优选，所述的压电传感器测得的压电信号通过无线通信模块发送至上位机。无线通信模块由压电陶瓷片由振动产生的电能供电。
[0016]
该非接触式振动传感与能量收集一体化装置的工作方法如下：
[0017]
将支架固定在被测结构上，被测结构发生振动时将带动压电振子一同振动。压电振子发生往复摆动，使得压电陶瓷片产生应变从而产生电能；同时，压电振子往复摆动时，第一永磁体与第二永磁体的距离发生变化，使得压电传感器在磁力作用下受到变化的挤压力，压电传感器输出的电信号发生变化；压电传感器输出的电信号与压电振子振动的幅度和频率对应，实现对被测结构的持续振动监测。
[0018]
本发明的有益效果是：
[0019]
1.本发明在压电传感器中使用锯齿形压电薄膜，以及同样具有锯齿结构的基体以及承压块，使得压电传感器受压时锯齿形压电薄膜同时产生d31和d33方向的压电效应，当锯齿倾斜角度处于合理范围时，有助于在同等压力下增大锯齿形压电薄膜的输出信号，提高压电传感器的检测精度。
[0020]
2.本发明中使用的锯齿形压电薄膜，有助于将更大面积的压电薄膜装入小尺寸的压电传感器中，有助于在不增大压电传感器横向尺寸的情况下，拓展传感面积，避免压电薄膜被压损，提高压电传感器的使用寿命，并增大量程。
[0021]
3.本发明提供了一种非接触式振动传感与能量收集一体化装置，其利用悬臂式压电振子和永磁体，将振动信号非接触式地转化为压力变化信号，从而利用压电传感器实现对结构振动信号的精准监测。同时，永磁体的存在有助于拓宽压电振子的工作频带。
[0022]
4.本发明利用磁场作用使压电振子宽频高效收集结构振动的振动能量并转换为电能存储到储能元件中，实现了结构振动传感与能量收集的功能，并利用振动产生的电能将检测到的振动信号无线传输到上位机，实现对建筑物的自供能持续监测。
附图说明
[0023]
图1是本发明实施例1的整体示意图。
[0024]
图2是本发明实施例1的爆炸示意图。
[0025]
图3是本发明实施例1中锯齿形压电薄膜受到挤压时的受力图；
[0026]
图4是本发明对比例1的整体示意图。
[0027]
图5是本发明实施例1与对比例1在同等挤压力下产生的电荷的对比示意图。
[0028]
图6是本发明实施例2的整体示意图。
[0029]
图7是本发明实施例2中压电振子的示意图。
[0030]
图中：2、锯齿形压电薄膜；3、基体；1、承压块；
[0031]
5、支架；6、压电振子；61、弹性基板；62、压电陶瓷；63、第二永磁体；7、压电传感器；
8、第一永磁体；
具体实施方式
[0032]
下面将结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式，以使发明的优点和特征能更易于被本领域技术按理解，从而对本发明的保护范围做出更为清晰明确的界定。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0033]
实施例1
[0034]
如图1和2所示，一种基于锯齿形结构的压电传感器，呈长方体状，包括两个承压块1、两张锯齿形压电薄膜2和一个基体3。两张锯齿形压电薄膜2设置在基体3的两个相互正对的侧面上；两个承压块1设置在两张锯齿形压电薄膜2的相反侧面上。
[0035]
锯齿形压电薄膜2上设置有相互平行且依次等间隔排列的多条折痕。相邻两条折痕的弯折方向相反。各折痕将锯齿形压电薄膜2分隔为依次排列的多个倾斜压电膜单元。倾斜压电膜单元相对于承压方向法平面(即承压块1的外侧面)的倾斜角度θ为60
°
。
[0036]
基体3的两侧面，以及两个承压块1朝向基体3的侧面均呈与锯齿形压电薄膜2对应的锯齿状，使得两个承压块1、两张锯齿形压电薄膜2和一个基体3之间形成紧密贴合的结构。
[0037]
当两个承压块1的相反侧面受到挤压力时，两张锯齿形压电薄膜2受到挤压力，在压电效应的作用下输出感应电流，实现压力检测。
[0038]
如图3所示，在实施例1中，当压电传感器受到挤压力f时，压电薄膜2上单个倾斜压电膜单元的受力情况如图3所示。从图中可以看出，压电薄膜在挤压力f的作用下产生平行于压电薄膜厚度方向的正向应力和垂直于压电薄膜厚度方向的切向应力n为斜压电膜单元的数量；正向应力为压缩应力，在d33压电效应的作用下产生电荷信号；切向应力为拉伸应力，在d31压电效应的作用下产生电荷信号。
[0039]
受到压电薄膜产生的电荷信号q如下：
[0040][0041]
其中，l为倾斜压电膜单元的长度；b为压电薄膜的宽度。d
33
为压电薄膜在d33模式(正向)下的压电系数；d
31
为压电薄膜在d31模式(切向)下的压电系数。
[0042]
本实施例中，压电薄膜的材质为pvdf压电薄膜，其d33和d31常数分别为：-33pc/n与23pc/n。因此，电荷信号q＝33
×
f cosθ+23
×
f sinθ。
[0043]
对比例1
[0044]
如图4所示，一种压电传感器，呈长方体状，包括两个承压块1、两张直线形压电薄膜4和一个基体3。两张直线形压电薄膜4设置在基体3的两个相互正对的侧面上；两个承压
块1设置在两张直线形压电薄膜4的相反侧面上。
[0045]
本对比例的主要区别在于压电薄膜的形状不相同。本对比例中直线形压电薄膜4的长度与实施例1中的锯齿形压电薄膜2拉直状态下的长度相等。本对比例中直线形压电薄膜4的宽度与实施例1中的锯齿形压电薄膜2的宽度相等。
[0046]
在对比例1中，当压电传感器受到挤压力f时，压电薄膜仅受到厚度方向的挤压力，压电薄膜在d33压电效应的作用下产生电荷信号q，其表达式为：
[0047][0048]
其中，d
33
为压电薄膜在d33模式下的压电系数；l
′
、b分别为压电薄膜长度、宽度；l
′
＝n
·
l。
[0049]
挤压力f相等(均为1n)的情况下，实施例1和对比例1产生的电荷信号q随倾斜角度θ的对比情况下如图5所示。
[0050]
从图5中可以看出，选取合适的倾斜角度θ，能够最大限度地同时利用d33和d31压电效应，增大实施例1提供的传感结构产生的信号。在倾斜角度θ的取值在“0
°
《θ《69.7
°”
范围内时，实施例1产生的电荷信号均大于对比例1产生的电荷信号，有助于提高压电传感器的检测精度；实施例1中倾斜角度θ的最佳值为34.9
°
；倾斜角度θ取34.9
°
时，同等挤压力f下达到最大，压电传感器输出的压力信号达到最大。
[0051]
从实施例1与对比例1的比较可以看出：锯齿形压电薄膜2一方面有助于减小压电传感器的截面尺寸(锯齿形结构能够使得压电薄膜的长度缩短)，另一方面能够使得同等面积的作用区域在同等压力下产生更大的电荷信号，从而提高压电传感器的检测精度。
[0052]
实施例2
[0053]
如图6所示，一种非接触式振动传感与能量收集一体化装置，包括支架5、压电振子6、压电传感器7、第一永磁体8和控制通信模块。压电振子和压电传感器7通过支架连接固定。
[0054]
压电振子能够收集环境中的振动能量，并将其转化为电能存储到储能元件中；储能元件为控制通信模块供电。控制通信模块与外界的基站或上位机通信，将宽频带能量收集与传感一体化装置采集到的建筑物振动数据传输至上位机，实现对建筑物全生命周期的振动监测。
[0055]
如图7所示，压电振子6包括弹性基板61、压电陶瓷片62和第二永磁体63。弹性基板61与压电陶瓷片62层叠设置并粘合在一起；弹性基板61的内端与支架5粘合，使得压电振子6形成弹性悬臂梁结构。第二永磁体63固定在弹性基板61的外端。悬臂梁结构的压电振子6能够在环境振动作用下进行往复摆动，从而使得压电陶瓷片62变形而产生电流。
[0056]
如图3和4所示，压电传感器7的结构与实施例1中提供的基于锯齿形结构的压电传感器的结构相同。压电传感器7的其中一个承压块1与支架固定。压电传感器7的另一个承压块1背离基体3的侧面上固定有第一永磁体8。第一永磁体8与第二永磁体63的外侧面相互正对。第一永磁体8与第二永磁体63的相对侧面的磁极相同，使得第一永磁体8与第二永磁体63相互之间产生排斥力。该排斥力能够使得压电传感器7产生挤压力；根据挤压力的大小能够反映排斥力的大小；而排斥力的大小能够反映压电振子6的最大摆动幅度(即振动的强烈程度)；由此即可实现被测环境中振动幅度和频率的精准检测。
[0057]
在一些实施例中，压电传感器7中朝向压电振子6的承压块1采用永磁材料，从而能够直接作为第一永磁体8使用。
[0058]
在压电振子3受环境振动影响进行往复摆动时，第一永磁体8与第二永磁体63相互作用，将压电振子3的振动信号以非接触的形式转换为压电传感器7的电信号，并同时拓宽压电振子6的工作频带。
[0059]
本实施例中，支架与压电传感器7以及压电振子，通过粘贴或焊接固定。
[0060]
控制通信模块包括控制器和无线通信模块。控制器接收压电薄膜传感器3输出的信号，并通过无线通信模块输出。各压电陶瓷片62的输出接口通过稳压模块连接至控制器和无线通信模块的供电接口，实现对建筑物的长期全自动监测。
[0061]
本发明的工作原理如下：
[0062]
通过磁吸或者机械接合(螺钉，焊接)的方式将装置固定在被测结构上，被测结构发生振动时将带动压电振子6、压电传感器7一同振动。压电振子发生往复摆动，使得压电陶瓷片62产生应变从而产生电能，通过压电陶瓷内外两侧电极输出电流。
[0063]
在被测结构振动过程中，压电振子6在往复运动时，其上的第二永磁体63与压电传感器7上的第一永磁体8相互作用，压电传感器7受到磁力作用产生压力f。粘结在锯齿形基体表面的压电pvdf薄膜受到正向和切向压力作用，产生电信号。分析压电传感结构的信号即可分析建筑物结构的振动状况。
[0064]
两个永磁体之间的斥力大小为：
[0065][0066]
其中，m1,m2分别为磁体的磁矩，r为两磁体的距离，k为常数。
[0067]
随着斥力大小的改变，压电薄膜传感器3的输出电荷q随之发生改变，由此实现对两磁体的距离r的动态监测。两磁体的距离r能够反映结构随环境的振动变化情况。
[0068]
为了提高压电振子的发电效率，要求压电振子工作在谐振频率附近，也就是被测结构的振动频率与压电振子的共振频率相近，使得压电振子产生共振，压电陶瓷片内应变最大，从而使电能输出最大。
[0069]
而在实际情况中结构的振动频率复杂多变，具有特定谐振频率的压电振子很难与结构产生共振。为了实现装置工作频率与结构振动频率良好匹配，通过磁力的作用，将压电振子的工作频带进行一定的拓宽，从而在一定范围内实现压电振子与结构的振动频率匹配，提高整个装置的发电效率和发电性能，让整个装置达到拓宽频带的目的，提高非接触式振动传感与能量收集一体化装置电能输出的稳定性。
[0070]
综上所述，本发明提出的非接触式振动传感与能量收集一体化装置能通过非接触的方式将振动信号转换为电信号，并进一步利用d31压电效应，达到增大传感信号效果，同时可有效拓宽工作频带，提高了能量收集效率和发电性能。
[0071]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种基于锯齿形结构的压电传感器，其特征在于：包括承压块(1)、锯齿形压电薄膜(2)和基体(3)；锯齿形压电薄膜(2)设置在承压块(1)与基体(3)之间；所述承压块(1)与基体(3)的相对侧面呈现相互匹配的锯齿状结构；锯齿形压电薄膜(2)上形成多个与承压方向的法平面具有倾斜角度θ的倾斜压电膜单元；倾斜角度θ满足以下条件：-d
33
×
cosθ+d
31
×
sinθ≥d
33
其中，d
33
、d
31
分别为锯齿形压电薄膜(2)的d33模式、d31模式的压电常数。2.根据权利要求1所述的一种基于锯齿形结构的压电传感器，其特征在于：所述倾斜角度θ的取值使得-d
33
×
cosθ+d
31
×
sinθ达到最大。3.根据权利要求1所述的一种基于锯齿形结构的压电传感器，其特征在于：所述的锯齿形压电薄膜(2)上设置有相互平行且依次等间隔排列的多条折痕；相邻两条折痕的弯折方向相反；各折痕将锯齿形压电薄膜(2)分隔为依次排列的多个倾斜压电膜单元。4.根据权利要求1所述的一种基于锯齿形结构的压电传感器，其特征在于：所述的承压块(1)、锯齿形压电薄膜(2)各有两个；两张锯齿形压电薄膜(2)设置在基体(3)的两个相互正对的侧面上；两个承压块(1)设置在两张锯齿形压电薄膜(2)的相反侧面上。5.根据权利要求1所述的一种基于锯齿形结构的压电传感器，其特征在于：所述锯齿形压电薄膜(2)的材质为pvdf压电薄膜；倾斜角度θ的取值满足以下条件“0
°
<θ<69.7
°”
。6.一种非接触式振动传感与能量收集一体化装置，包括支架(5)、压电振子(6)和压电传感器(7)；其特征在于：还包括第一永磁体(8)；压电振子(6)和压电传感器(7)通过支架连接固定；所述的压电振子(6)包括弹性基板(61)、压电陶瓷片(62)和第二永磁体(63)；压电陶瓷片(62)固定在弹性基板(61)上；弹性基板(61)的内端与支架(5)固定；第二永磁体(63)固定在弹性基板(61)的外端；所述的压电传感器(7)的结构与权利要求4所述的基于锯齿形结构的压电传感器的结构相同；压电传感器(7)的其中一个承压块(1)与支架固定；压电传感器(7)的另一个承压块(1)固定有第一永磁体(8)，或本身具有磁性作为第一永磁体(8)；第一永磁体(8)与第二永磁体(63)对齐且相斥。7.根据权利要求6所述的一种非接触式振动传感与能量收集一体化装置，其特征在于：所述的压电传感器(7)测得的压电信号通过无线通信模块发送至上位机；无线通信模块由压电陶瓷片(62)由振动产生的电能供电。8.根据权利要求6所述的一种非接触式振动传感与能量收集一体化装置，其特征在于：将支架(5)固定在被测结构上；被测结构发生振动时将带动压电振子一同振动；压电振子发生往复摆动，使得压电陶瓷片(62)产生应变从而产生电能；同时，压电振子往复摆动时，第一永磁体(8)与第二永磁体(63)的距离发生变化，使得压电传感器(7)在磁力作用下受到变化的挤压力，压电传感器(7)输出的电信号发生变化；压电传感器(7)输出的电信号与压电振子振动的幅度和频率对应，实现对被测结构的持续振动监测。

技术总结
本发明公开了一种基于锯齿形结构的压电传感器及自供电振动监测装置；该压电传感器其包括承压块、锯齿形压电薄膜和基体。锯齿形压电薄膜设置在承压块与基体之间。所述承压块与基体的相对侧面呈现相互匹配的锯齿状结构。锯齿形压电薄膜上形成多个与承压方向的法平面具有倾斜角度θ的倾斜压电膜单元。本发明在压电传感器中使用锯齿形压电薄膜，以及同样具有锯齿结构的基体以及承压块，使得压电传感器受压时锯齿形压电薄膜同时产生d31和d33方向的压电效应，当锯齿倾斜角度处于合理范围时，有助于在同等压力下增大锯齿形压电薄膜的输出信号，提高压电传感器的检测精度。提高压电传感器的检测精度。提高压电传感器的检测精度。


技术研发人员：张春利 温琦琛 陈伟球
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/10/7