一种基于压电俘能器的自供能无线监测系统

本发明涉及压电俘能器领域，尤其涉及一种基于压电俘能器的自供能无线监测系统。

背景技术：

1、钢弹簧浮置板轨道因其明显的减振效果，已在很多城市轨道交通中得到了广泛应用，尤其桥梁、古建筑物、研究机构、医院等在敏感路段。近年来，智慧城轨建设快速发展，一个重要方面就是浮置板轨道的智慧运维。通常，智慧运维的核心技术之一是无线传感器网络技术，它担负着采集和传输数据的重要任务，然而供电的问题非常棘手。由于传感器节点经常安装在轨道结构的隐蔽部位，铺设电缆或更换电池耗费人力和物力，而且需要在天窗时间内进行。注意到地铁列车运行过程中会产生大量的振动能，利用压电材料的优异机电转化性能，部分振动能转化为电能，将为无线传感器节点的供电提供了一种新的方式。而且，由于地铁列车具有运行间隔时间短、运行密度高、连续运行等特点，这种能源获取方式是可持续和稳定的。

2、通常，将轨道振动能转化为电能的装置称为轨道交通压电俘能器。早期的轨道交通压电俘能器如压电贴片、压电悬臂梁、鼓型压电振子阵列等结构简单，但是功率小，而且与浮置板轨道的结构和荷载特性不匹配，不能直接使用。

3、近来，针对浮置板轨道的结构和荷载特性，研究者提出一些的压电俘能器。申请公布号为“cn 113078846a”在2021年7月6日公开的发明专利“一种点支承浮置板轨道用多级压电俘能装置”公开了一种点支承浮置板轨道用多级压电俘能装置，该装置部分构件采用的d31模式的弯曲俘能板在长期浮置板轨道大荷载作用下会导致压电材料发生剥落和断裂，服役性能差。

4、申请公布号为“cn 112054717a”在2020年12月8日公开的发明专利“压电式能量采集装置及在浮置板轨道上的应用与方法”公开了一种力放大机构-压电叠堆阵列组合型压电俘能器，可将高达几十千牛的钢弹簧支承力转化为较大的功率，但只是从理论和数值模拟方面得出的结论，见2021年发表在journal ofcleaner production 291(2021)125283的论文“piezoelectric vibration energy harvesting for rail transit bridge withsteel-spring floating slab track system”。而现有的力放大机构的承载力通常在一百牛左右，因此该装置的加工和制作仍然是个挑战，难度较大。

5、授权公告号为“cn 213213352 u”在2021年5月14日公开的实用新型专利“一种高性能轨道交通压电俘能器”公开了一种融合压缩弹簧、位移传输筒和压电叠堆阵列高度设计的轨下压电俘能器，该俘可应用于浮置板轨道较小的轨下竖向空间。但是由于阵列设计会将压缩弹簧转换的力均匀分配，使得作用在每个压电叠堆上的力减小，进而导致功率输出较小，见2022年发表在journal of intelligent material systems and structures,2022,33(18):2305-2320的论文“design and performance evaluation ofpiezoelectrictube stack energy harvesters in railway systems”。

6、2022年发表在energy conversion and management,2022,257:115442的论文“apiezoelectric smart backing ring for high-performance power generationsubject to train induced steel-spring fulcrum forces”，提出了一种基于压电叠堆阵列的智能垫环，可将钢弹簧支点力转换为电能为无线温度传感模块vipsn2.0供电。但是由于只采用了压电叠堆配合凹槽和圆形截面，器件的稳定性较差，瞬时峰值功率水平相对较小，而且无线温度传感只是基于蓝牙实现的短距离传输，局限于室内实验室，无法实现远距离监测。

7、总的来讲，现有技术主要集中在浮置板轨道压电俘能器的结构设计方面，存在一些不足，如输出功率小、稳定性较差、加工和制作难、长期服役性能差等问题，对于压电俘能器、能量管理电路和无线传感系统之间的协同工作较少涉及。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种基于压电俘能器的自供能无线监测系统，本发明解决浮置板轨道压电俘能器的输出功率小、稳定性较差、加工和制作难、长期服役性能差等问题，以及解决能量转换、能量储存、能量管理和应用多功能全系统设计和协同工作问题，最终实现浮置板轨道的压电自供能无线传感与监测，具体包括：

2、一种基于压电俘能器的自供能无线监测系统，包括：压电俘能器、电能存储模块、电能管理模块和无线传感模块；

3、所述压电俘能器安装在浮置板轨道的观察窗内，当所述浮置板轨道振动时，所述压电俘能器将接收到的机械能转为电能；

4、所述电能存储模块与所述压电俘能器连接，所述电能存储模块存储所述压电俘能器输出的电能；

5、所述电能管理模块的电压输入端与所述电能存储模块连接，所述电能管理模块的电压输出端与所述无线传感模块连接；

6、其中，当所述电能存储模块的电压大于电压阈值时，所述电能管理模块控制所述电能存储模块放电，所述电能管理模块将所述电能存储模块输出的电压转为稳定电压，所述电能管理模块将所述稳定电压输送至所述无线传感模块内的传感器单元和无线节点单元。

7、可选地，所述压电俘能器包括壳体、压电叠堆筒、力传递筒、压缩弹簧、机械能输入组件；

8、所述机械能输入组件包括驱动板和驱动杆，所述驱动杆设置在驱动板的一侧板面上，所述驱动板安装在所述壳体的内腔中，所述驱动杆穿过所述壳体顶部；

9、所述压缩弹簧的一端安装在所述驱动板上，所述压缩弹簧的另一端安装在所述力传递筒的一端上；

10、所述力传递筒的另一端与安装在所述压电叠堆筒的顶部，所述压电叠堆筒的底部安装在所述壳体的底部；

11、当所述浮置板轨道振动时，所述驱动杆随着所述浮置板轨道的振动沿所述壳体的轴向方向往复直线运动，所述驱动杆带通过所述驱动板带动所述压缩弹簧不断压缩和复位，所述压缩弹簧将接收到的力通过力传递筒传送至所述压电叠堆筒，所述压电叠堆筒将受到的力转为电能并通过导线将电能传送至所述电能存储模块。

12、可选地，所述压电叠堆筒包括3个自上而下依次设置在导线上的压电叠堆，

13、所述压电叠堆依次串联在所述导线上或所述压电叠堆依次并联在所述导线上；

14、压电叠堆呈柱状设置，所述压电叠堆的基片为环形设置，所述压电叠堆的基片的种类包括压电陶瓷片和铜电极片；

15、所述压电陶瓷片的厚度在0.5mm至2mm，所述压电陶瓷片的内半径大于25mm，所述压电陶瓷片的外半径小于50mm，其中，所述压电陶瓷片的外半径比所述压电陶瓷片的内半径大至少5mm，所述压电陶瓷片的层数不超过120层；

16、所述铜电极片的厚度小于0.2mm，所述铜电极片的层数比压电陶瓷片的层数多一层。

17、可选地，所述力传递筒包括：限位板和定位柱，所述力传递筒为一体结构；

18、所述定位柱设置在所述限位板的一端面上，所述定位柱的数量与所述压缩弹簧的数量匹配；

19、所述压缩弹簧的一端装配在所述驱动板上，所述压缩弹簧的另一端通过所述定位柱上且装配在所述限位板上，所述压缩弹簧套设在所述定位柱上；

20、其中，所述定位柱的长度小于所述压缩弹簧的长度；

21、其中，所述压缩弹簧的刚度小于10×106n/m；

22、其中，设置在所述力传递筒和所述驱动板之间的压缩弹簧的压缩量总和大于10mm。

23、可选地，所述壳体包括：支持拆卸的顶盖、筒身和底座，所述壳体的材质为金属材质；

24、所述筒身的侧壁上设置通线口；

25、所述筒身为空心柱形，所述底座为圆板结构，所述顶盖为圆板结构。

26、可选地，所述压电俘能器还包括：限位杆；

27、所述限位杆依次贯穿所述力传递筒和所述压电叠堆筒并安装在所述壳体的底部。

28、可选地，所述底座的边缘周侧环周均匀阵列多个安装板；

29、所述压电俘能器通过所述安装板固定在所述浮置板轨道的挡板上。

30、可选地，所述电能存储模块包括：整流单元和储能单元；

31、所述整流单元用于将所述压电俘能器转化的电能转化为直流能量：

32、所述储能单元用于存储所述直流能量。

33、可选地，所述电能管理模块包括：监测单元和稳压单元；

34、所述监测单元用于监测所述储能单元内的能量是否达到阈值，当所述储能单元内的能量达到阈值，所述监测单元将所述储能单元的直流能量输出至所述稳压模块，当所述储能单元内的能量低于阈值，所述监测单元控制所述储能单元休眠；

35、所述稳压模块用于调整电压阈值和输出电压的大小。

36、可选地，所述传感器单元包括：温度传感器、空气温湿度传感器、位移计、液位传感器和单点沉降计；

37、所述温度传感器用于监测所述浮置板轨道的钢轨温度；

38、所述空气温湿度传感器用于监测环境温度和环境湿度；

39、所述位移计用于监测所述浮置板轨道的钢轨、所述浮置板轨道的浮置板位移和钢弹簧断裂；

40、所述液位传感器用于监测所述浮置板轨道的排水沟积水；

41、所述单点沉降计用于监测所述浮置板轨道的路基沉降。

42、上述技术方案，与现有技术相比至少具有如下有益效果：

43、本发明俘能器整体结构的稳定性好：采用限位杆设置，再辅以压缩弹簧配合驱动板、压缩弹簧配合力传递筒上的定位柱、压电叠堆筒配合凹槽、限位杆配合限位槽，将压电叠堆筒、力传递筒、压缩弹簧、机械能输入组件装配在壳体内。这种方案可提高力传递效率，保障整个装置稳定性。此外，采用本发明的压电叠堆筒能在大荷载下稳定服役。

44、本发明俘能器输出功率大：压电叠堆筒阵列采用多层压电结构、阵列型布设及电学串联、并联方式可实现大功率输出特性；压缩弹簧选用大刚度型号且采用并联阵列设计以进一步提高刚度，可将浮置板位移转换为更大的力荷载作用到压电叠堆筒，通过提高机械能的输入进一步提高功率输出。

45、本发明俘能器的长期服役性能优：一是采用稳定性较好的压电叠堆筒作为核心俘能单元，且确保各种参数能在高荷载情况下稳定工作，如环状压电陶瓷片的厚度为0.5mm-2mm，内半径要大于25mm，外半径小于50mm，外半径比内半径至少大于5mm，层数不超过120层；二是选用了使用回数多且易更换的压缩弹簧；三是其余构件均采用不锈钢或耐腐钢材料加工；四是对压电叠堆及整个俘能器的接缝或孔处做防水绝缘处理。多种措施协同作用，以保证俘能器能在浮置板轨道环境中长期服役。

46、本发明将俘能器转化的电能应用到无线传感器上还需要经过电能储存模块和电能管理模块两个模块。本发明的电能储存模块由一个整流单元(全波整流桥)和一个储能单元(如充电电容或者充电电池)组成。整流单元能够将本发明压电俘能器转化的瞬时交流电能转化成直流电能，并将直流电能存储在储能单元中。本发明的电能管理模块包括监测单元和稳压单元，其中，监测单元采用至少具有两个可调电压阈值的电子比较器，其中一个较低的电压阈值对应充电电容或充电电池的休眠状态，一个较高的电压阈值对应充电电容或充电电池的激活状态。稳压模块采用dc-dc降压转换器dc-dc升压转换器。监测单元和稳压单元能够被集成在一个稳压集成芯片中，如ap64500芯片，并可通过改变外围电路的电子元件来调整电压阈值和输出电压大小。当储能单元的电压低于较小电压阈值时，储能单元休眠不放电，当储能单元电压上升到较大电压阈值时，储能单元放电且电能管理模块持续输出稳定电压直到储能单元的电压再次下降到较小电压阈值以下。电能存储模块和电能管理模块的所有单元可集成一个稳压器集成芯片，能够被用来监测所述储能单元的电能状况，当存储电能不满足无线传感模块中的无线节点单元和传感器单元的供电需求时，处于休眠状态，当满足时，稳压单元对存储单元的电能调理输出稳定的电压供无线节点单元和传感器单元使用。

47、本发明的无线传感模块通过物联网平台可对钢轨温度、钢轨位移、环境温湿度、浮置板位移、钢弹簧断裂、排水沟积水、路基沉降等进行远程监测。

48、本发明的无线传感系统的无线节点单元与传感器单元之间采用有线连接构成无线传感器节点，其中，温度传感器安装在钢轨侧边或底部监测钢轨温度，空气温湿度传感器安装在浮置板轨道观察窗内监测环境温湿度，位移计安装在钢轨侧边、浮置板轨道观察窗内侧以及钢弹簧隔振器外套筒侧边监测钢轨位移、浮置板位移和钢弹簧断裂，液位传感器安装在排水沟底部监测排水沟积水，单点沉降计安装在路基内监测路基沉降。

49、无线节点单元和无线网关之间采用zigbee、lora等无线通讯技术可实现不同距离的数据传输，无线网关采用lan/4g/5g等不同方式接入互联网。传感器负责采集浮置板轨道的监测数据，无线节点将传感器采集的数据通过无线方式发送至无线网关，无线网关将数据再通过运营商网络传输至云服务器，云服务器将数据储存并使其可用于物联网，一旦数据在云服务器上可用，就可以通过物联网在全球范围内被客户端接收和检索。