热声发电机中线性发电机机电转换效率监控系统及方法

摘要

本发明公开了一种热声发电机中线性发电机机电转换效率监控系统及方法，涉及热声发电机领域。所述系统包括：第一压力传感器、第二压力传感器、活塞位移传感器、和处理器；第一压力传感器，设置在线性发电机的活塞的前端，用于检测活塞的前端的第一压力信号；第二压力传感器，设置在活塞的后端，用于检测活塞的后端的第二压力信号；活塞位移传感器，设置在线性发电机的弹簧上，用于检测活塞的位移信号；处理器根据第一压力信号、第二压力信号和位移信号，以及线性发电机的输出功率，计算线性发电机的机电转换效率。所述系统可以实时地对线性发电机的机电转换效率进行有效监控，并进而为提高热声发电机的整机效率和发电功率提供数据支持。

权利要求

1.一种热声发电机中线性发电机机电转换效率监控系统，其特征在于，包括：第一压力传感器、第二压力传感器、活塞位移传感器、和处理器；所述第一压力传感器，设置在所述线性发电机的活塞的前端，用于检测所述活塞的前端的第一压力信号；所述第二压力传感器，设置在所述活塞的后端，用于检测所述活塞的后端的第二压力信号；所述活塞位移传感器，设置在所述线性发电机的弹簧上，用于检测所述活塞的位移信号；所述处理器连接所述第一压力传感器、第二压力传感器和活塞位移传感器，用于根据所述第一压力信号、第二压力信号和位移信号，以及所述线性发电机的输出功率，计算所述线性发电机的机电转换效率。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：采集器；所述第一压力传感器、第二压力传感器和活塞位移传感器均通过所述采集器连接所述处理器；所述采集器用于统一采集所述第一压力信号、第二压力信号和位移信号，并对所述述第一压力信号、第二压力信号和位移信号进行数字化处理后发送给所述处理器。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：电压传感器；所述电压传感器设置在所述线性发电机外接负载的两端，用于检测所述负载两端的负载电压信号；所述电压传感器还连接所述采集器，以将所述负载电压信号发送给所述采集器。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述电压传感器采用响应频率为25kHz的互感原理电压传感器。

5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：电流传感器；所述电流传感器设置在所述负载所在回路上，用于检测所述回路上的负载电流信号；所述电流传感器还连接所述采集器，以将所述负载电流信号发送给所述采集器。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述电流传感器采用响应频率为1MHz的霍尔原理电流传感器。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一压力传感器和第二压力传感器均采用具有200kHz本征响应频率的石英晶体压力传感器。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述活塞位移传感器采用具有50kHz响应频率的电阻应变式位移传感器。

9.一种热声发电机中线性发电机机电转换效率监控方法，其特征在于，包括步骤：A：检测线性发电机的活塞的前端的第一压力信号、所述活塞的后端的第二压力信号、所述活塞的位移信号和所述线性发电机外接负载的负载电压信号和负载电流信号；

B：将所述第一压力信号、第二压力信号、位移信号、负载电压信号和负载电流信号进行数字化处理；

C：根据所述第一压力信号、第二压力信号和位移信号计算输入给所述线性发电机的声功率；

D：根据所述负载电压信号和负载电流信号计算所述线性发电机的输出功率；

E：根据所述声功率和输出功率计算所述线性发电机的机电转换效率；

所述步骤C具体包括步骤：

C1：根据所述位移信号对应的应变值得到所述活塞的活塞位移，根据所述活塞位移计算所述活塞前端的体积流率U；

C2：利用所述第一压力信号对应的第一压力值P1减去所述第二压力信号对应的第二压力值P2，得到压力差ΔP；

C3：根据所述压力差ΔP、所述体积流率U和所述线性发电机的运行周期T，采用互相关算法计算得到所述压力差ΔP与体积流率U的相角差θ；

C4：根据所述体积流率U、压力差ΔP和相角差θ，采用下面公式计算输入给所述线性发电机的声功率Wa：

说明书

热声发电机中线性发电机机电转换效率监控系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及热声发电机技术领域，特别涉及一种热声发电机中线性发电机机电转换效率监控系统及方法。

背景技术

[0002] 热声发电机是一种新型的热驱动的发电机械。其工作原理是，通过热量的输入驱动热声发动机产生声功输出，并驱动线性发电机发电。热声发电机的热到电的总转换效率可以由热声发动机的热到声转换效率，以及线性发电机的声到电转换效率相乘得到。

[0003] 热声发电机由于其高效、长寿命的特点，正日益受到各国研究者的关注。但是，在热声发电机整机运行测试中，人们往往无法区分某一外部调节手段究竟是对热到声的转换效率影响大，还是对声到电的转换效率影响大。这也制约了热声发电机整机效率和发电功率的进一步提高。因此，有必要对线性发电机的机电转换效率开展在线监控，但目前还没有专门针对线性发电机机电转换效率的在线监控系统。

发明内容

[0004] (一)要解决的技术问题

[0005] 本发明要解决的技术问题是：如何提供一种热声发电机中线性发电机机电转换效率监控系统及方法，以便对线性发电机的机电转换效率实现有效监控，进而为提高热声发电机的整机效率和发电功率提供数据支持。

[0006] (二)技术方案

[0007] 为解决上述技术问题，本发明提供一种热声发电机中线性发电机机电转换效率监控系统，其包括：第一压力传感器、第二压力传感器、活塞位移传感器、和处理器；所述第一压力传感器，设置在所述线性发电机的活塞的前端，用于检测所述活塞的前端的第一压力信号；所述第二压力传感器，设置在所述活塞的后端，用于检测所述活塞的后端的第二压力信号；所述活塞位移传感器，设置在所述线性发电机的弹簧上，用于检测所述活塞的位移信号；所述处理器连接所述第一压力传感器、第二压力传感器和活塞位移传感器，用于根据所述第一压力信号、第二压力信号和位移信号，以及所述线性发电机的输出功率，计算所述线性发电机的机电转换效率。

[0008] 优选地，所述系统还包括：采集器；所述第一压力传感器、第二压力传感器和活塞位移传感器均通过所述采集器连接所述处理器；所述采集器用于统一采集所述第一压力信号、第二压力信号和位移信号，并对所述述第一压力信号、第二压力信号和位移信号进行数字化处理后发送给所述处理器。

[0009] 优选地，所述系统还包括：电压传感器；所述电压传感器设置在所述线性发电机外接负载的两端，用于检测所述负载两端的负载电压信号；所述电压传感器还连接所述采集器，以将所述负载电压信号发送给所述采集器。

[0010] 优选地，所述电压传感器采用响应频率为25kHz的互感原理电压传感器。

[0011] 优选地，所述系统还包括：电流传感器；所述电流传感器设置在所述负载所在回路上，用于检测所述回路上的负载电流信号；所述电流传感器还连接所述采集器，以将所述负载电流信号发送给所述采集器。

[0012] 优选地，所述电流传感器采用响应频率为1MHz的霍尔原理电流传感器。

[0013] 优选地，所述第一压力传感器和第二压力传感器均采用具有200kHz本征响应频率的石英晶体压力传感器。

[0014] 优选地，所述活塞位移传感器采用具有50kHz响应频率的电阻应变式位移传感器。

[0015] 本发明还提供一种热声发电机中线性发电机机电转换效率监控方法，其包括步骤：

[0016] A：检测线性发电机的活塞的前端的第一压力信号、所述活塞的后端的第二压力信号、所述活塞的位移信号和所述线性发电机外接负载的负载电压信号和负载电流信号；

[0017] B：将所述第一压力信号、第二压力信号、位移信号、负载电压信号和负载电流信号进行数字化处理；

[0018] C：根据所述第一压力信号、第二压力信号和位移信号计算输入给所述线性发电机的声功率；

[0019] D：根据所述负载电压信号和负载电流信号计算所述线性发电机的输出功率；

[0020] E：根据所述声功率和输出功率计算所述线性发电机的机电转换效率。

[0021] 优选地，所述步骤C具体包括步骤：

[0022] C1：根据所述位移信号对应的应变值得到所述活塞的活塞位移，根据所述活塞位移计算所述活塞前端的体积流率U；

[0023] C2：利用所述第一压力信号对应的第一压力值P1减去所述第二压力信号对应的第二压力值P2，得到压力差ΔP；

[0024] C3：根据所述压力差ΔP、所述体积流率U和所述线性发电机的运行周期T，采用互相关算法计算得到所述压力差ΔP与体积流率U的相角差θ；

[0025] C4：根据所述体积流率U、压力差ΔP和相角差θ，采用下面公式计算输入给所述线性发电机的声功率Wa：

[0026]

[0027] (三)有益效果

[0028] 本发明所述热声发电机中线性发电机机电转换效率监控系统及方法，通过实时采集活塞前后的压力信号和活塞的位移信号，并采用互相关算法，可以计算得到输入给线性发电机的声功率；通过实时采集线性发电机的外接负载的电流、电压信号，可以计算得到线性发电机的输出功率，从而可以实时地对线性发电机的机电转换效率进行有效监控，并进而为提高热声发电机的整机效率和发电功率提供数据支持。

附图说明

[0029] 图1是本发明实施例的热声发电机中线性发电机机电转换效率监控系统结构示意图；

[0030] 图2是所述活塞位移传感器的结构示意图；

[0031] 图3是活塞位移与应变值的单调关系图；

[0032] 图4是本发明实施例的热声发电机中线性发电机机电转换效率监控方法流程图。

具体实施方式

[0033] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

[0034] 图1是本发明实施例的热声发电机中线性发电机机电转换效率监控系统结构示意图。如图1所示，所述系统包括：第一压力传感器101、第二压力传感器102、活塞位移传感器103、电压传感器104、电流传感器105、采集器106和处理器107。

[0035] 所述第一压力传感器101设置在线性发电机300内部的活塞301的前端，用于检测所述活塞301的前端的第一压力信号；所述第一压力传感器101还连接所述采集器106，以便将所述第一压力信号发送给所述采集器106。

[0036] 所述第二压力传感器102设置在所述活塞301的后端，用于检测所述活塞301的后端的第二压力信号；所述第二压力传感器102也连接所述采集器106，以便将所述第二压力信号发送给所述采集器106。

[0037] 所述第一压力传感器101和第二压力传感器102均采用具有200kHz本征响应频率的石英晶体压力传感器。这种压力传感器的特点是：当其位于所述线性发电机300内部的感压面上气体压力发生变化时，其内部的晶体会发生微变形，并产生电荷输出，所述采集器106接收这种电荷，并进行数字化处理后，转换为分别对应所述第一压力信号的第一压力值和对应所述第二压力信号的第二压力值。

[0038] 图2是所述活塞位移传感器的结构示意图。如图2所示，所述活塞位移传感器103采用具有50kHz响应频率的电阻应变式位移传感器，其内部包含电阻丝1031。所述活塞位移传感器103设置在所述线性发电机300内部的弹簧303上，用于检测所述活塞301的位移信号。具体原理如下：当活塞301在热声发动机200产生的声波信号推动下，沿着轴302的长度方向，做往复直线运动时，与所述轴302固定连接的弹簧303会发生变形。活塞位移传感器103能够随弹簧303变形，产生拉伸或是压缩，其内部电阻丝1031也会发生微小变形，根据电阻应变原理 (R表示电阻值，L表示电阻丝长度，ΔR表示电阻值变化量，ΔL表示电阻丝长度变化量)，电阻丝1031长度的微小变形会带来电阻值的变化。因此根据电阻值变化量，就能计算出活塞位移传感器103的形变量，进而计算出弹簧303的形变量。由于弹簧303与活塞301一起，沿着轴302的长度方向做直线运动，因此弹簧303的形变量与活塞301的位移之间存在单调的关系。综上，可以根据电阻值变化量得到活塞位移传感器103的形变量，进而得到弹簧303的形变量，进而得到活塞301的位移值。因此，所述位移信号对应的是所述电阻丝1031的电阻值变化量。所述活塞位移传感器103连接所述采集器106，以便将所述位移信号发送给所述采集器106，所述采集器106接收所述位移信号后进行数字化处理，转换得到应变值。这样，应变值和活塞位移有了单调关系。图3是活塞位移与应变值的单调关系图，如图3所示，活塞位移与应变值的单调关系显著，根据该单调关系，所述处理器107根据所述采集器106提供的应变值，可以计算得到所述位移信号对应的活塞位移。

[0039] 所述电压传感器104采用响应频率为25kHz的互感原理电压传感器，其设置在所述线性发电机300外接负载的两端，用于检测所述负载两端的负载电压信号；所述电压传感器104还连接所述采集器，以将所述负载电压信号发送给所述采集器106。所述采集器106接收所述负载电压信号，数字化处理后得到负载电压值，发送给所述处理器107。其中，所述外接负载为纯阻性外接负载。

[0040] 所述电流传感器105采用响应频率为1MHz的霍尔原理电流传感器，其设置在所述负载所在回路上，用于检测所述回路上的负载电流信号；所述电流传感器105还连接所述采集器106，以将所述负载电流信号发送给所述采集器106。所述采集器106接收所述负载电流信号，数字化处理后得到负载电流值，发送给所述处理器107。

[0041] 所述采集器106由一系列传感器信号变送器以及高速采集模块构成，其分别采集所述第一压力信号、第二压力信号、位移信号、负载电压信号和负载电流信号，分别进行数字化处理，得到对应所述述第一压力信号的第一压力值、对应所述第二压力信号第二压力值、对应所述位移信号的应变值、对应所述负载电压信号的负载电压值和对应所述负载电流信号的负载电流值，然后统一发送给所述处理器107。

[0042] 所述处理器107采用微型计算机，其主频1GHz。所述处理器107连接所述采集器106，接收所述第一压力值、第二压力值、应变值、负载电压值和负载电流值。根据所述第一压力值、第二压力值和应变值，采用所述处理器107可以计算得到所述热声发动机200输入给所述线性发电机300的声功率Wa；根据所述负载电压值和负载电流值，可以计算得到所述线性发电机300的输出功率Wo；根据所述声功率Wa和输出功率Wo，可以计算得到所述线性发电机300的机电转换效率 即

[0043] 图4是本发明实施例的热声发电机中线性发电机机电转换效率监控方法流程图。如图4所示，所述方法包括：

[0044] 步骤A：通过第一压力传感器101检测线性发电机300的活塞301的前端的第一压力信号，通过第二压力传感器102检测所述活塞301的后端的第二压力信号，通过活塞位移传感器103检测所述活塞301的位移信号，通过电压传感器104检测所述线性发电机300外接负载的负载电压信号，通过电流传感器105检测经过所述负载的负载电流信号。其中，所述外接负载为纯阻性外接负载。

[0045] 步骤B：采集器106采集所述第一压力信号、第二压力信号、位移信号、负载电压信号和负载电流信号并进行数字化处理，得到对应所述述第一压力信号的第一压力值、对应所述第二压力信号的第二压力值、对应所述位移信号的应变值、对应所述负载电压信号的负载电压值和对应所述负载电流信号的负载电流值，然后统一发送给处理器107。

[0046] 步骤C：所述处理器107根据所述第一压力信号对应的第一压力值、第二压力信号对应第二压力值和位移信号对应的应变值计算输入给所述线性发电机300的声功率。

[0047] 所述步骤C具体包括步骤：

[0048] 步骤C1：根据所述位移信号对应的应变值得到所述活塞301的活塞位移S，根据所述活塞位移S计算所述活塞301前端的体积流率U。其计算原理如下：活塞位移S为一个正弦信号，假设用S＝S0sin(ωt)表示，其中S0、ω、t分别表示活塞位移S的幅值，角速度和时间。根据位移与速度的定义式，速度是位移的导数，可以得到活塞速度的表达式如下[0049]

[0050] 再根据体积流率U的定义式，体积流率U等于气流速度与流道横截面积的乘积，可以得到体积流率U的表达式为U＝uA＝S0ωAcos(ωt)，其中A为活塞301的横截面积。

[0051] 步骤C2：利用所述第一压力信号对应的第一压力值P1减去所述第二压力信号对应的第二压力值P2，得到压力差ΔP。

[0052] 步骤C3：根据所述压力差ΔP、所述体积流率U和所述线性发电机的运行周期T，采用互相关算法计算得到所述压力差ΔP与体积流率U的相角差θ。所述互相关算法的基本原理是：设有任一波A(t)(对应本实施例压力差ΔP)以及另一个有一定延迟时间的波B(t)(对应本实施例体积流率U)，在有限时间间隔T0(对应本实施例线性发电机的运行周期T)内其互相关函数定义为：

[0053]

[0054] 其中，m介于-T0与T0之间，当某个m使得Rab(m)取最大值时对应的m就是B(t)相对于A(t)的时间延迟，相应的A(t)与B(t)的相角差为θ0＝360×m/T0。

[0055] 步骤C4：根据所述体积流率U、压力差ΔP和相角差θ，采用下面公式计算输入给所述线性发电机的声功率Wa：

[0056]

[0057] 步骤D：根据所述负载电压信号对应的负载电压值Uf和负载电流信号对应的负载电流值I，计算所述线性发电机的输出功率Wo，即Wo＝Uf×I。

[0058] 步骤E：根据所述声功率Wa和输出功率Wo计算所述线性发电机300的机电转换效率 即

[0059] 本发明实施例所述热声发电机中线性发电机机电转换效率监控系统及方法，通过实时采集活塞前后的压力信号和活塞的位移信号，并采用互相关算法，可以计算得到输入给线性发电机的声功率；通过实时采集线性发电机的外接负载的电流、电压信号，可以计算得到线性发电机的输出功率，从而可以实时地对线性发电机的机电转换效率进行有效监控，并进而为提高热声发电机的整机效率和发电功率提供数据支持。

[0060] 以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。