一种基于静电和压电原理的结构振动自供能索力计

技术领域

本发明涉及静电和压电发电领域，具体涉及一种基于静电和压电原理的结构振动自供能索力计。

背景技术

在传统意义上，房屋、桥梁等建筑结构的设计初衷主要是用于抵抗静力荷载的，如车辆荷载、结构自重等，但在实际情况中，土木工程结构在承受着静力荷载的同时还需抵抗环境中多变的动力荷载，如风荷载、地震荷载、波浪荷载、机械振动荷载、交通荷载等。而这些动力荷载的存在往往会引起建筑结构发生持续的振动，这对建筑结构安全和使用者健康安全均是有害的。

随着山区旅游业的兴起，山区景观桥的数量逐渐增多，在桁架结构的基础上增设索承结构，可以使得整桥外观更加轻盈、简洁，得以更好的融入自然，具有较高的观赏性。但从近百年时间内斜拉桥的使用情况可以看出，随着使用时间的不断增加，桥梁拉索的更换行为非常普遍且频率较高。故而在乘索桥梁体系中，拉索索力通常是用来评估拉索是否正常工作、桥梁运营状态是否正常合理的关键参数，对桥梁的健康监测有着十分重要的意义。

但对于拉索的监测传统大多依赖于人工巡检以及常规的定期检查，工作量大、效率低、主观性较强、人工成本高。而一些自动化监测技术多依赖于大规模接触式传感器，存在布线复杂、电池更换困难、传感器质量对短索识别精度影响大等问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明通过对传统接触式自供能索力计的优化和结构的简化，提供一种基于静电和压电原理的结构振动自供能索力计，该发明具有无需外部供电、无需大量接线、耐久性强、识别精度高、装置简易轻量化、空间利用率高的优点。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

一种基于静电和压电原理的结构振动自供能索力计，包括索力传感器、风力俘能器、电源管理模块和感知信号无线传输模块四部分；

其中，所述索力传感器安装于拉索上，并与所述感知信号无线传输模块连接，基于静电和压电原理产生电势差形成电流，利用所述感知信号无线传输模块将感应的信号发出；所述索力传感器包括圆柱形外壳，以及位于所述圆柱形外壳内的非线性质量块-弹簧-阻尼机械系统和一对摩擦对；所述摩擦对包括位于质量块外周的独立摩擦层，以及位于所述圆柱形外壳内表面的固定摩擦层，通过所述非线性质量块-弹簧-阻尼机械系统的振动，使得摩擦对之间的相对面积变化，产生电信号；

所述风力俘能器与所述电源管理模块电连接，所述电源管理模块与所述感知信号无线传输模块电连接；所述风力俘能器包括支撑片、钝体外壳、底座、压电片，以及位于所述钝体外壳内部的固定接触板、滑动接触板、固定在所述固定接触板上表面的正摩擦发电片、固定在所述滑动接触板下表面的负摩擦发电片；

所述支撑片一端固定在所述底座上，另一端固定在所述钝体外壳上，所述压电片固定在所述支撑片上；所述钝体外壳在驰振作用的影响下带动所述支撑片垂直于迎风面左右振动，所述滑动接触板在所述固定接触板上左右滑动，使得所述固定接触板上表面的正摩擦发电片和所述滑动接触板下表面的负摩擦发电片产生电势差，产生的电能为所述感知信号无线传输模块供电，实现自供能。

进一步地，所述索力传感器的所述圆柱形外壳中部安装圆柱形导轨，质量块套设在所述圆柱形导轨上，且上下分别通过上弹簧和下弹簧与所述圆柱形外壳连接；所述摩擦对包括位于所述质量块外周的独立摩擦层，以及位于所述圆柱形外壳的内表面的上电极层、下电极层、上电极层上附着的上固定摩擦层、下电极层上附着的下固定摩擦层；所述上电极层、下电极层中间保持一定间隔；所述上固定摩擦层、下固定摩擦层的极性相同，并与所述独立摩擦层的极性相反。

进一步地，所述上固定摩擦层、下固定摩擦层均为聚四氟乙烯薄膜，上电极层、下电极层均为铜箔，所述独立摩擦层为PA6尼龙薄膜。

进一步地，所述固定接触板和滑动接触板均为多个，从而组成多对摩擦对；所述固定接触板上表面的正摩擦发电片由上到下包括尼龙层和铝膜，各层材料之间彼此全覆盖；所述滑动接触板下表面的负摩擦发电片和正摩擦发电片形状一致。

进一步地，所述支撑片为不锈钢片，所述固定接触板和滑动接触板采用光敏树脂材料。

进一步地，所述钝体外壳的一个侧面安装侧面开盖，且所述钝体外壳在靠近侧面开盖的两侧开设有凹槽，底部开设有孔洞，用于将所述固定接触板上表面的正摩擦发电片的铝膜通过导线引出，各层的铝膜间采用并联的连接方式，导线穿过所述凹槽和孔洞，汇聚后，为所述感知信号无线传输模块供电。

进一步地，所述压电片固定在所述支撑片上端靠近所述钝体外壳处。

进一步地，所述固定接触板与滑动接触板平行布置，且均为实心结构。

一种结构振动自供能索力计的索力测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：测量所述索力传感器输出的开路电压U(t

其中，ω为固有角频率，ξ为阻尼比，σ为独立摩擦层的表面电荷密度，S表示独立摩擦层的面积，L为独立摩擦层沿滑动方向的长度，C

步骤二：将得到的拉索的加速度时程信息

其中，ρ为拉索的线密度；L为拉索有效长度；f

本发明的有益效果如下：

1.本发明的基于静电和压电原理的结构振动自供能索力计，采用非接触式的独立层式静电和压电原理模型对索力计进行设计，与传统结构相比能够有效减少能量损耗。索力计摩擦对的电学输出和相对滑动距离之间满足定量解析关联，依据该定量关联，可实现结构振动过程的智能感知。非接触独立层式的模型可减少摩擦对摩擦过程中的能量损耗，提高识别精度。

2.本装置无需外接电源、无需大量接线，通过布设在大桥上的风力俘能器可实现对风能的吸收与转换，利用风能发电为索力计连接的信号无线传输模块供能，控制端获取数据后利用感知理论等原理求得吊杆索力，进行桥梁健康监测。

3.与传统风力俘能器构型相比，本装置在上部的钝体内部嵌入了TENG俘能单元，在俘能器左右摆动的过程中，TENG俘能单元和支撑片上的压电片可同时俘能，增大能量输出，提高俘能效率。并且在俘能器摆动时上部钝体内的俘能单元可对钝体侧壁产生冲击力，增大支撑片的变形，进一步提高压电片的能量输出。

附图说明

图1为本发明实施例的索力计的应用场景示意图。

图2为索力传感器侧视示意图。

图3为索力传感器纵剖面示意图。

图4为索力传感器耐久性实验结果图。

图5为风力俘能器的示意图。

图6为风力俘能器的主视图及内部局部结构示意图。

图7为风力俘能器传统构型与本实施例构型的振幅对比图。

图8为风力俘能器传统构型与本实施例构型的输出电压对比图。

图9为本实施例的索力计进行索力测量的工作原理图。

图中，圆柱形外壳1、圆柱导轨2、质量块3、上弹簧4、下弹簧5、上电极层6、下电极层7、上固定摩擦层8、下固定摩擦层9、独立摩擦层10、支撑片11、钝体外壳12、固定螺栓13、侧面开盖14、底座15、压电片16、固定接触板17、正摩擦发电片18、滑动接触板19、负摩擦发电片20、尼龙层1801、铝膜1802。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的索力计基于静电和压电原理设计索力传感器，利用摩擦对的电学输出和相对滑动距离之间满足定量解析关联，依据该定量关联和感知理论可求得吊杆索力，实现结构振动过程的智能感知。且依据摩擦纳米发电机在低频振动的桥梁结构中有显著性能输出，适用于低频结构的感知与俘能的特点，通过布设在大桥上的风力俘能器实现对风能的吸收与转换。基于涡激振动和驰振的原理，当风载作用于外部钝体和支撑片，由于气流产生分离形成涡旋脱落，使得钝体两次出现正负压交替，导致钝体结构左右摆动，可同时利用涡激振动和驰振的作用，增大振动幅度，提高俘能效率，为索力计连接的信号无线传输模块供电，实现自供能。

如图1所示，本实施例的基于静电和压电原理的结构振动自供能索力计应用于拉索桥索力监测，包括索力传感器、风力俘能器、电源管理模块和感知信号无线传输模块四部分。其中，索力传感器安装于拉索上，基于静电和压电原理产生电势差形成电流，利用感知信号无线传输模块将信号发送给计算机，同时利用摩擦对的电学输出和相对滑动距离之间满足定量解析关联，依据该定量关联和感知理论可求得吊杆索力，实现结构振动过程的智能感知。风力俘能器安装于桥梁上，实现对风能的吸收与转换，经过电源管理模块为索力计连接的感知信号无线传输模块供电，实现信号的无线收发。

如图2所示，索力传感器包括三个部分：圆柱形外壳1、以及位于圆柱形外壳1内的非线性质量块-弹簧-阻尼机械系统、一对摩擦对。

圆柱形外壳1是一个中央带有一个圆柱导轨2的封闭式中空圆柱体，圆柱导轨2用于固定质量块3的滑动方向。圆柱形外壳1和圆柱导轨2采用3D打印技术进行制作，使用强度较高的轻质材料，可减小索力计的体积，提高装置便捷性。在本实施案例中，圆柱形外壳1壁厚为1mm，圆柱导轨2直径D＝1mm，既可承受一定的外力，又在一定程度上减轻装置质量，使装置达到简易轻量化的效果。

非线性质量块-弹簧-阻尼机械系统由一个圆柱形质量块3和上弹簧4、下弹簧5所组成。圆柱形质量块3是中央带孔的，并且圆柱形质量块3通过上弹簧4、下弹簧5与圆柱形壳体1相连接。圆柱形质量块3采用3D打印技术制作，上弹簧4、下弹簧5由耐腐蚀材料制成。在本实施案例中，圆柱形质量块3直径D＝17mm，略小于圆柱形外壳1的内径，使得圆柱形质量块3能较好地在圆柱导轨2上滑动。

如图3所示，摩擦对由三部分组成，包括附着在圆柱形壳体1内表面上的上电极层6、下电极层7、上电极层6上附着的上固定摩擦层8、下电极层7上附着的下固定摩擦层9和圆柱形质量块3表面附着一片的独立摩擦层10。上电极层6的底端和下电极层7的上端隔开一定间隙。在本实施案例中，附着在圆柱形壳体1内表面上的上电极层6、下电极层7为厚度d＝30μm的铜箔，并且上下两片铜箔之间保持着g＝1mm的间隔，同时在上电极层6、下电极层7上附着的上固定摩擦层8、下固定摩擦层9为厚度d＝50μm的聚四氟乙烯(PTFE)薄膜，而在圆柱形质量块3表面上附着的独立摩擦层10为厚度d＝30μm的PA6尼龙薄膜。

如图4所示，本索力传感器装置采用非接触式、独立层式的结构，避免了传统结构的TENG的摩擦损耗。通过耐久性实验，结果表明器件输出性能在4万次循环加载作用下仍然稳定输出，验证了器件设计的稳定性，能够有效减少摩擦损耗，保障感知精度。

如图5所示，风力俘能器由支撑片11、钝体外壳12、固定螺栓13、侧面开盖14、底座15、压电片16、固定接触板17、滑动接触板19、固定在固定接触板17上侧的正摩擦发电片18及滑动接触板19下侧的负摩擦发电片20组成。底座15为耐候性好、便于维护和安装的固体材料。支撑片11为弯曲性好、便于安装和维护的不锈钢片，可承受钝体外壳振动时产生的弯曲应力。支撑片11一端固定在底座15上，另一端固定在钝体外壳12上，钝体外壳12将在驰振作用的影响下带动支撑片11在迎风面左右振动。支撑片11与钝体外壳12通过固定螺栓13的形式连接。压电片16安装在支撑片11上。优选地，压电片16固定在支撑片11上端靠近钝体外壳处，此处支撑片变形量最大，俘能效果最好。钝体外壳12的一个侧面安装侧面开盖14，且钝体外壳12在靠近侧面开盖14的两侧开设有凹槽。钝体外壳12和侧面开盖14均为3D打印的强度较高的轻质材料。钝体结构的截面为矩形与D形相结合的形状，其原因是基于涡激振动原理的俘能器在特定范围的风速下可产生较大位移，一旦超出这个范围俘能效果会大大下降，其钝头体大都采用圆形截面，而基于驰振原理的俘能器只有在环境风速高于切入风速时俘能效果好，且随着风速增加俘能效果也增加。本实施例结合了二者的优点，采用矩形与D形相结合的形状，充分发挥涡激振动和驰振在俘能方面的优势，拓宽工作风速的范围，增大振动幅度，提高俘能效率。

由于矩形截面在不同的宽厚比下的响应幅值不同，在一定的范围内，响应幅值随宽厚比增大而增大，但宽厚比过大会导致系统表现涡激振动响应特性，不符合俘能要求。故而在本实施案例中，钝体外壳12的矩形尺寸为300mm×500mm×750mm，半圆柱尺寸为150×750(r×h)，宽厚比为0.46可在驰振作用下产生较高的振动频率和较大的振动幅度。

如图6所示，固定接触板17、滑动接触板19均平行布置在钝体外壳12的内部，且均为实心结构。固定接触板17上表面的正摩擦发电片18由上到下包括尼龙层1801和铝膜1802，且正摩擦发电片18分为左右两部分，中间间隔一定的间隙。固定在滑动接触板19下表面的负摩擦发电片20和正摩擦发电片18形状一致，各层材料间彼此全覆盖。负摩擦发电片20大小比正摩擦发电片18略小，使得滑动接触板19在滑动过程中能与其充分接触，且二者在空间上呈现互相平行状态。本装置的TENG单元采用独立层式结构，滑动接触板19左右滑动的时候，由于静电感应原理，会在正摩擦发电片18上感应出等量负电荷，当两个铝膜上的负电荷不相等时，会产生电势差，导致电子通过外部电路转移以平衡电势差，从而形成电流，当滑动接触板19往复运动时，就会在两个铝膜之间产生交流电，输出能量。并且每一层对应的铝膜左右各引出两根导线，每一层的两根导线都是分别从左右两边的凹槽引出，各层之间采用并联的连接方式，导线引出后从钝体外壳12底部预留的孔洞汇聚在一起，为索力计连接的信号无线传输模块供电，实现自供能。

在本实施案例中，预先使得索力传感器装置内摩擦对带电，当圆柱形外壳1处于某一加速度下，质量块3上下移动，由于圆柱形壳体1和质量块3表面的摩擦层极性相反，且质量块表面的独立摩擦层10的上下滑动距离远大于上固定摩擦层8与下固定摩擦层9之间的间隔距离，能够通过质量块3的滑动带动摩擦对之间的相对面积发生变化，摩擦对表面分别产生极性相反的电荷，从而引起金属薄膜中的电荷发生周期性转移来产生电信号。同时将索力传感器视为一个为单自由度受迫振动系统，根据强迫振动原理构建质量块振动位移和待测物体振动位移之间的对应关系，并结合杜哈密积分引入不规则外部荷载，使得器件能够成功感知任意荷载下的待测物体加速度值，而后利用感知理论等原理求得吊杆张力，实现结构振动过程的智能感知，进行桥梁健康监测。本索力传感器装置采用非接触式、独立层式的结构，与传统结构相比能够有效减少能量损耗。本装置依据摩擦纳米发电机在低频振动的桥梁结构中有显著性能输出，适用于低频结构的感知与俘能的特点，通过布设在大桥上的风力俘能器实现对风能的吸收与转换，为索力计连接的信号无线传输模块供电，实现自供能。具体工作原理如图9所示。

如图6所示，正摩擦发电片18尺寸为48mm×28mm，负摩擦发电片20尺寸为30mm×20mm。固定接触板17厚2mm，滑动接触板19厚2mm。正摩擦发电片18的尼龙层1801和铝膜1802分别厚0.03mm和0.05mm，负摩擦发电片20采用PTFE材料，厚0.05mm，固定接触板17和滑动接触板19采用光敏树脂材料。钝体外壳12振动过程中，负摩擦发电片20尺寸小于正摩擦发电片18，在惯性的作用下往复与正摩擦发电片18完全接触，提高发电效率。

如图7所示，风力俘能器传统构型与本装置构型相比，传统构型上部钝体为实心结构，本装置在钝体内部嵌入了TENG俘能单元，在俘能器左右摆动的过程中，俘能单元可对钝体侧壁产生冲击力，增大支撑片的变形，使得振幅增大。如图8所示，在10

本发明的基于静电和压电原理的结构振动自供能索力计的索力测量方法具体如下：

(1)结合以往关于独立层式摩擦纳米发电技术的相关研究，可得到导体-导体F-TENG的输出开路电压U(t

式中，σ为独立摩擦层的表面电荷密度，S表示独立摩擦层的面积，L为独立摩擦层沿滑动方向的长度，C

(2)因此可得关于x(t

(3)当测得的散点信号采样时间间隔取得足够小时，根据式(2)可得：

即可得：

(4)结合外部激励加速度

代入(5)，可得：

式中，ω为固有角频率，ξ为阻尼比。

(5)通过得到的加速度时程信息

式中，ρ为拉索的线密度；L为拉索有效长度；f

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。