城市流体输送管网健康监测中自供能技术研究

基于物联网技术构建城市流体输送管网运行状态监测系统，利于优化管网运行，降低能源消耗，并提高其安全性、可靠性。从环境中采集能量为系统中的传感节点进行永久、免维护供电是系统广泛应用的关键。本项目在前期压磁/压电层合磁电式振动能量采集技术研究基础上，根据管道外壁及管内流体振动特点，分别研究采用磁电换能器的管外壁和管内流体振动能量采集技术。具体内容包括：研究多弹性结构和磁力非线性作用相结合的管外壁小加速度、宽频带能量采集技术，揭示其机械-磁-电转换机理，为磁电换能器在振动能量采集中的应用提供科学依据；研究基于流-固耦合振动的磁电式管内流体振动能量采集技术，建立流固耦合振动-磁-电转换模型，优化结构，实现管内宽流速范围内的能量采集。项目研究成果，将为管网监测中的无线传感节点供能提供新的理论和解决方案，并对基于流-固耦合振动的自供能技术研究（如其他工业管道、江海流体振动能量采集）具有重要借鉴作用。

现有振动能量采集技术通常在某一个频率点具有较高输出，偏离谐振频率后，输出电压和能量转换效率急剧下降，然而环境中振动源（包括流体管道外壁振动）的频率范围通常分布较宽；同时，这些采集器只能拾取某个方向的振动能量，而环境中的振动源方向往往具有多个，或随着时间变化。这样势必造成其他频率成分或者其他振动方向的能量浪费，导致低的转换效率。为了突破现有采集技术响应振动频带窄及响应方向单一的限制，本项目开展了以下研究工作：1）研究将磁性层的退磁场引入磁电响应分析中，分析了压磁/压电层合结构低频和谐振时的磁电响应，表明退磁场使得其存在一个最优宽度，为设计具有理想磁电响应的换能器提供了理论支持。2）研究了采用圆柱悬臂梁作为拾振器，而非常规的薄片式矩形截面悬臂梁，结合压磁/压电层合磁电换能器设计了2维多方向、宽频振动能量采集器；在此基础上，分别研究了采用磁电换能器和基于碰撞机理的空间3维振动能量采集技术，突破现有采集技术响应频带窄和响应方向单一的限制。实验结果表明：采集器z轴方向振动激励时最大峰值输出电压达到22.3 V，功率输出81 μW，频率响应带宽达到8Hz；采集器响应x-y平面的任意方向振动激励时，最大峰值输出电压达到25.3 V，功率输出80.5 μW，带宽最大为5.8 Hz。4）针对现有振动采集技术功率输出低的问题，研究了采用triboelectric原理的3维宽频高输出功率的振动能量采集技术，工作带宽可达75Hz，最大的能量密度达1.45Wm-2, 转换效率在30%左右。这些性能使该采集器除用于管道外壁振动能量采集外，还可以用于收集由于刮风或者下雨液滴坠落使各种输电线路振动产生的多方向振动能量，以及人类行走振动能量和车辆车轮转动能量，有望在便携式电子产品、环境/基础设施监控以及安全和更多的方面得到应用。5）针对管内输送流体流速范围大，结合涡激振动原理和电磁感应定律，研究了由弧形非对称涡激振动弹性体、扇形环状磁路和电磁换能器组成的流体水致振动能量采集器，在流速为0.409m/s时，采集器输出功率达2.36mW。