CN106056904B - 一种基于电磁-摩擦杂化纳米发电机的自驱动无线车流量检测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁‑摩擦杂化纳米发电机的自驱动无线车流量检测器，包括：集成为一体的电磁发电机和摩擦纳米发电机、无线发射装置和接收装置。利用电源管理电路将电磁发电机和摩擦纳米发电机的电信号输出汇聚在一起为无线发射装置供电，车辆经过产生的风能会带动发电机的旋转，从而产生脉冲电流，无线发射装置将电信号发射到接收装置，接收装置进行一次计数。本发明可以实现在偏远地区隧道和公路等长期有效的车流量检测。

Description

一种基于电磁-摩擦杂化纳米发电机的自驱动无线车流量检 测器

技术领域

本发明涉及一种车流量检测器，特别是涉及将车辆经过产生的风能转化为电能的不需外加电源的自驱动车流量检测器。

背景技术

随着全国经济的发展，交通拥堵已经成为大中城市交通中的普遍现象，并且城市基础设施建设速度落后于车辆增长速度，截至2013年，全国汽车保有量为1.37亿辆，近十年汽车年均增加1100多万辆，增长量是2003年汽车数量的5.7倍，而城市道路每年仅增长3-5％，交通安全形势严峻，每年由于交通事故的发生造成巨大的经济损失。

智能交通系统将先进的信息技术、数据通信技术、传感器技术、电子控制技术以及计算机技术等有效地综合运用于整个交通运输管理体系，从而建立起一种大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合运输和管理系统，可以有效地综合运用于交通运输、服务控制和车辆制造，加强车辆、道路、使用者三者之间的联系，减少交通事故的发生，降低能源消耗，减轻环境污染。

智能交通系统的有效运行与车流量的实时准确监测有密不可分的联系，目前的车流量检测器都需要直接的电源供给，这产生了不必要的能源消耗以及环境污染，并且在安装和维护上也存在较大的困难。

发明内容

本发明涉及一种可以将车辆通过所产生的风能转化为电能的基于电磁-摩擦杂化纳米发电机的自驱动无线车流量检测器，能够在不需要电源的情况下实现对车流量的实时检测。

为实现上述目的，本发明采用的技术手段是：一种基于电磁-摩擦杂化纳米发电机的自驱动无线车流量检测器，由发电底座100和风力转盘200构成；风力转盘200上的中轴220作为枢轴将风力转盘200插接在发电底座100之上，且风力转盘200的底端与发电底座100的塑料下板104固连；即：在风力带动下，风力转盘200带动塑料上板105以中轴220为枢轴作相对于塑料下板104转动；

发电底座100由集成为一体的电磁发电机和摩擦纳米发电机构成；

摩擦纳米发电机的构成为：覆置在塑料下板104上的第一电极层103为摩擦纳米发电机的固定部，覆置在塑料上板105上的第二电极层101和摩擦层102构成了摩擦纳米发电机的活动部；

电磁发电机的构成为：覆置在塑料下板104上的线圈108和覆置在塑料上板105上的磁铁107构成了电磁发电机；

摩擦纳米发电机和电磁发电机的电能由引出线引出供发射装置109供电，并通过发射装置109无线发射车流状况电信号；

所述摩擦层102以及电极层103表面设置有微结构阵列修饰；

所述检测器在车辆经过产生气流的作用下，叶片210带动下，风力转盘带动摩擦纳米发电机的活动部旋转产生的电能和脉冲信号经发射器传输到接收装置，实现对车流量的实时检测。

这样，车辆通过时，风力转盘210带动塑料上板105旋转，线圈108中的磁通量由于磁铁107的转动发生变化，在线圈108中产生变化的电流，同时，由于第一电极层103和摩擦层102的摩擦，在第一电极层103和第二电极层101之间有脉冲电信号输出，所述摩擦层102为接触电极，第二电极层101充当背电极，产生的脉冲电信号经过整流电路和发射装置109进行无线发射，接收装置110进行接收，并且对车辆进行计数，实现车流量的实时监测。

与现有技术相比，本发明具有下列有益效果：

1、本发明提供的基于电磁-摩擦杂化纳米发电机的自驱动无线车流量检测器采用最新的纳米摩擦发电技术以及电磁感应技术，相对于传统造价昂贵，体积及质量庞大的涡轮式风能发电机，它在增强发电适用性，大大的降低成本的同时仍然能保持非常有益的功率的输出。

2、本发明提供的基于电磁-摩擦杂化纳米发电机的自驱动无线车流量检测器采用电源管理电路，将摩擦纳米发电机和电磁发电机的电信号输出进行整合。

3、采用具有一定机械强度、绝缘性能的高分子塑料作为基于电磁-摩擦杂化纳米发电机的自驱动无线车流量检测器主要框架，成本低廉。

4、对于采用纳米线阵列以及纳米孔阵列作为摩擦纳米发电机的接触面，不但可以增加接触面积，而且纳米线外壁与导电面的滑动增强发电机的摩擦起 电效果，杂化了接触起电效应和摩擦起电效应，从而大大地提高了发电机的输出功率。

5、本发明的发电机结构简单，制备方法简单，对材料无特殊要求，可以实现在没有电源的情况下对车流量的实时监测。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明车流量检测器的结构示意图。

图2为实施例二在柔性塑料薄膜表面设置微结构阵列修饰层的表面形貌经50000倍放大后的扫描电子显微镜图谱。

图3为实施例二在金属电极层表面设置微结构阵列修饰层的表面形貌经50000倍放大后的扫描电子显微镜图谱。

图4为电源管理的简易电路示意图。

图5、图6和图7分别为摩擦纳米发电机部分、电磁感应发电机部分和电源管理整流后的开路电压测量结果。

图8、图9和图10分别为摩擦纳米发电机部分、电磁感应发电机部分和电源管理整流后的短路电流测量结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细介绍本发明基于电磁-摩擦杂化纳米发电机的自驱动无线车流量检测器的具体实施方式。

实施例一：

参见图1，基于电磁-摩擦杂化纳米发电机的自驱动无线车流量检测器包括覆置在塑料下板104上的第一电极层103和覆置在塑料上板105上的第二电极层101和摩擦层102，覆置在塑料下板104上的线圈108和覆置在塑料上板105上的磁铁107，带动转子的旋转的风力转盘210，无线发射装置109和接收装置110。

塑料板105和104具有一定机械强度和厚度，车辆经过时，风力转盘210带动塑料上板105旋转，线圈108中的磁通量由于磁铁107的转动发生变化，在线圈108中产生变化的电流，同时，由于第一电极层103和摩擦层102的摩擦，在第一电极层103和第二电极层101之间有脉冲电信号输出，所述摩擦层102为接触电极，第二电极层101充当背电极，产生的脉冲电信号经过电源管理电路和发射装置109进行无线发射，接收装置110进行接收，并且对车辆进行计数，实现车流量的实时监测。

本发明的基于电磁-摩擦杂化纳米发电机的自驱动无线车流量检测器中，摩擦层102与第一电极层103可以完全接触及滑动后完全分开，也可以部分接触及滑动后分开，也就使其接触面积发生不断的变化。

本发明的基于电磁-摩擦杂化纳米发电机的自驱动无线车流量检测器利用了具有不同摩擦电极序的摩擦层材料接触时发生表面电荷转移的原理。本发明中所述的“摩擦电极序”，是指根据材料对电荷的吸引程度将其进行的排序，两种材料在相互接触的瞬间，在接触面上正电荷从摩擦电极序中极性较负的材料表面转移至摩擦电极序中极性较正的材料表面。迄今为止，还没有一种统一的理论能够完整的解释电荷转移的机制，一般认为，这种电荷转移和材料的表面功函数相关，通过电子或者离子在接触面上的转移而实现电荷转移。需要说明的是，摩擦电极序只是一种基于经验的统计结果，即两种材料在该序列中相差越远，接触后所产生电荷的正负性和该序列相符合的几率就越大，而且实际的结果受到多种因素的影响，比如材料表面粗糙度、环境湿度和是否有相对摩擦等。本发明人发现如果两种材料在摩擦电极序中处于较接近的位置，接触后电荷分布的正负性可能并不符合该序列的预测。需要进一步说明是，电荷的转移并不需要两种材料之间的相对摩擦，只要存在相互接触即可，因此，从严格意义上讲，摩擦电极序的表述是不准确的，但由于历史原因而一直沿用至今。

本发明中所述的“接触电荷”，是指在两种摩擦电极序极性存在差异的材料在接触并分离后其表面所带有的电荷，一般认为，该电荷只分布在材料的表面，分布最大深度不过约为10纳米。研究发现，该电荷能够保持较长的时间，根据环境中湿度等因素，其保持时间在数小时甚至长达数天，而且其 消失的电荷量可以通过再次接触得以补充，因此，本发明人认为，在本发明中接触电荷的电量可以近似认为保持恒定。需要说明的是，接触电荷的符号是净电荷的符号，即在带有正接触电荷的材料表面的局部地区可能存在负电荷的聚集区域，但整个表面净电荷的符号为正。

本发明的车流量检测器中，摩擦层和第一电极层的材料选择，只要满足：摩擦层材料与第一电极层材料存在摩擦电极序差异。本发明的发电机相当于第一电极层103、摩擦层102和第二电极层101形成摩擦纳米发电单元。

所述的摩擦纳米发电单元工作原理说明：摩擦层102和第一电极层103是两种存在摩擦电极序差的材料，风力转盘210带动塑料上板105转动过程中，摩擦层102和第一电极层103相互接触，在接触时发生表面电荷转移，形成一层表面接触电荷。由于摩擦层102和第一电极层103的材料在摩擦电极序中的位置不同，第一电极层103表面产生正电荷，而摩擦层102表面产生负电荷，两种电荷的电量大小相同，因此在第一电极层103和第二电极层101之间没有电势差，也就没有电荷流动。一旦转子转动，摩擦层102和第一电极层103发生相对位移，此时由第二电极层101和摩擦层102所构成的整体具有净剩负电荷，而第一电极层103具有净剩正电荷，因此在第一电极层103和第二电极层101之间产生了电势差。为平衡该电势差，电子通过外接导线由第二电极层101流入第一电极层103，从而在外电路产生由第一电极层到第二电极层的瞬时电流，当摩擦层102与第一电极层103完全分开，二者的电荷都达到平衡，在第一电极层103和第二电极层101之间没有电势差，在外电路也就没有电流产生。当转子继续转动,摩擦层102和第一电极层103又相互接触，由于摩擦层102与第一电极层103接触面积变大，摩擦层102表面的负电荷对第一电极层103中负电荷的排斥作用增强，由此导致第一电极层103和第二电极层101之间的电势差减小。为进一步平衡该电势差，电子通过外电路由第一电极层103流入第二电极层101，从而在外电路产生与第一次方向相反的瞬时电流。当摩擦层102与第一电极层103完全接触，重复上面步骤的情形。由此可见，当外力(风力作用)作用于基于电磁-摩擦杂化纳米发电机的自驱动无线车流量检测器时，会促使转子进行转动，通过摩擦层102和第一电极层103的不断接触和分离两个过程，分别产生方向相反的脉冲电流，实现在第一电极层 103和第二电极层101之间的脉冲发电。

绝缘体材料，例如常规的高分子聚合物都具有摩擦电特性，均可以作为制备本发明摩擦层102的材料，此处列举一些常用的高分子聚合物材料：聚四氟乙烯，聚二甲基硅氧烷，聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、再生纤维海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、酚醛树脂薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯。限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出几种具体的聚合物材料从人们参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素，因为在发明的启示下，本领域的技术人员根据这些材料所具有的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。

相对于绝缘体，半导体和金属均具有容易失去电子的摩擦电特性，在摩擦电极序的列表中常位于末尾处。因此，半导体和金属也可以作为制备第一电极层103的原料。常用的半导体包括：硅、锗；第Ⅲ和第Ⅴ族化合物，例如砷化镓、磷化镓等；第Ⅱ和第Ⅵ族化合物，例如硫化镉、硫化锌等；以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体，例如镓铝砷、镓砷磷等。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物也具有摩擦电特性，能够在摩擦过程形成表面电荷，因此也可以用来作为本发明的摩擦层，例如锰、铬、铁、铜的氧化物，还包括氧化硅、氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、BiO₂和Y₂O₃；常用的金属包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金。当然，还可以使用其他具有导电特性的材料充当容易失去电子的摩擦层材料， 例如铟锡氧化物ITO。

通过实验发现，当摩擦层102与第一电极层103材料的得电子能力相差越大(即在摩擦电极序中的位置相差越远)时，发电机输出的电信号越强。所以，可以根据实际需要，选择合适的材料来制备摩擦层102和第一电极层103以获得更好的输出效果。

本发明的基于电磁-摩擦杂化纳米发电机的自驱动无线车流量检测器中，摩擦层102和第一电极层103的厚度无特别要求，本发明中优选为0.01-0.05毫米。

本发明的车流量检测器中，对摩擦层102的下表面和第一电极层103的上表面进行物理改性，使其表面具有微米或次微米量级的微结构或者纳米材料的点缀或涂层。所述微结构可以选自纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球、纳米孔和微米球状结构。优选为在摩擦层102的表面、第一电极层103的表面包括上述微结构形成的阵列。

所述的电磁发电单元工作原理说明：风力转盘210带动塑料上板105转动过程中，当磁铁107位于线圈108正上方时，线圈108中的磁通量达到最大，线圈中没有电路产生，当磁铁107与线圈108的相对位置发生变化，线圈108中的磁通量发生改变，产生呈正弦波形的电流。

本发明的基于电磁-摩擦杂化纳米发电机的自驱动无线车流量检测器中，制备磁铁107的材料可以选择钕铁硼，铁氧体，铝镍钴，钐钴，铁碳铝等材料，线圈108的材料可以选择导电性好的金属和合金材料，例如：铜、铝、铝合金和银等。

本发明的发电机结构简单，制备方法简单，对材料无特殊要求，在实际使用中，只需进行简单的固定和封装，即可应用在公路和隧道中对车流量进行检测，具有广泛的实际用途。

实施例二：

具体介绍本实施例中车流量检测器的结构。参见图1，摩擦层102采用纳米阵列表面修饰的聚四氟乙烯(PTFE)薄膜材料，其厚度为25-50微米，在聚四氟乙烯材料的另一面镀上铜膜作为第二电极层101，第一电极层103采用纳米孔阵列表面修饰的铝箔材料，其厚度为20-50微米，以厚度为500-1000微米 的高分子聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为塑料104、105和风力转盘210的材料，磁铁107采用钕铁硼材料，线圈108采用铜漆包线材质；

本实施例中，检测器各部分的材料选择与实施例一中的相同，在这里不再复述，检测器的工作原理与实施例一中的也相同。

实施例三：

本发明各实施例的发电机部分输出的初始电信号为交流脉冲电信号，经过整流电路后变成直流信号，整流电路如图4所示，摩擦纳米发电机的输出电信号经过变压器、整流桥后变为直流电信号，电磁发电机的输出电信号经过整流桥直接变成直流电信号，并联两个发电机得到总的电信号输出为无线发射器供电。

在转速为500转每分钟的情况下，对本实施例中的摩擦纳米发电机部分、电磁发电机部分以及经过电源管理后的输出进行了开路电压和短路电流的测量，结果分别如图5-7和图8-10所示，图5-7为摩擦纳米发电机部分、电磁发电机部分以及经过电源管理后的开路电压测量结果，图8-10为摩擦纳米发电机部分、电磁发电机部分以及经过电源管理后的短路电流测量结果。从实验结果中可以看到，经过电源管理后，摩擦纳米发电机的输出电压从240伏下降到7伏，但是输出电流却得到了提高，电源管理后总的输出电压为7伏，短路电流为11毫安，足以为无线发射装置提供充足的供电。

实施例四：

本实施例中，在第三实施例的基础上，将检测器运用到对车流量的检测中。发电机部分直径为10厘米，高为15厘米，无线发射装置长和宽为5厘米，高为3厘米，无线接收装置长为8厘米，宽为5厘米，高为4厘米，用一个风机来模拟汽车通过时所产生的风，该车流量检测器可以实时准确的测量风机吹动风力转盘的次数。

本发明各实施例的发电机部分初始输出的电信号为交流脉冲电信号，可以在发电机的输出端连接变压器和全桥整流器，将发电机的输出信号整流为直流脉冲电信号来为无线发射装置进行供电。

发明人的研究过程中发现，在本发明各实施例的基于电磁-摩擦杂化纳米发电机的自驱动无线车流量检测器的发电机部分在实际工作当中，外加负载的 电阻值对发电机实际输出功率有很大的影响。随着负载电阻值的增大，负载两端的电压增大，通过负载的电流减小，而实际输出功率先增大后减小，并出现极大值。需要说明的是，本文中使用的“输出功率”，是指脉冲电流的极大值和在负载两端形成的脉冲电压的极大值的乘积，即瞬时极大功率。

本发明的车流量检测器的发电机部分的输出功率除了受到外界环境因素，包括风力的大小，外加负载的电阻值等影响外，还受到纳米摩擦风能发电机本身的设计和制造，包括摩擦层和电极层材料的选择，以及各部分的尺寸大小，和摩擦层材料表面的物理和化学性质的影响，电磁发电机的本身的设计和制造，包括磁铁的大小、材料以及线圈的大小、材料和匝数的影响。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (1)

1.一种基于电磁-摩擦杂化纳米发电机的自驱动无线车流量检测器，其特征在于，由发电底座（100）和风力转盘（200）构成；风力转盘（200）上的中轴（220）作为枢轴将风力转盘（200）插接在发电底座（100）之上，且风力转盘的底端与发电底座的塑料下板（104）固连；即：在风力带动下，风力转盘（200）带动塑料上板（105）以中轴（220）为枢轴作相对于塑料下板（104）转动；

发电底座由集成为一体的电磁发电机和摩擦纳米发电机构成；

摩擦纳米发电机的构成为：覆置在塑料下板（104）上的第一电极层（103）为摩擦纳米发电机的固定部，覆置在塑料上板（105）上的第二电极层（101）和摩擦层（102）构成了摩擦纳米发电机的活动部；上述摩擦层（102）与第一电极层（103）完全接触及滑动后完全分开，或者部分接触及滑动后分开，也就使其接触面积发生不断的变化；

所述摩擦层（102）采用纳米阵列表面修饰的聚四氟乙烯PTFE薄膜材料，其厚度为25-50微米，在聚四氟乙烯材料的另一面镀上铜膜作为第二电极层（101），第一电极层（103）采用纳米孔阵列表面修饰的铝箔材料，其厚度为20-50微米，以厚度为500-1000微米的高分子聚甲基丙烯酸甲酯PMMA为塑料下板（104）、塑料上板（105）和风力转盘（200）的材料；所述摩擦层材料与相邻摩擦层的第一电极层之间存在电极序差异；

电磁发电机的构成为：覆置在塑料下板（104）上的线圈（108）和覆置在塑料上板（105）上的磁铁（107）构成了电磁发电机；所述磁铁（107）采用钕铁硼材料，线圈（108）采用铜漆包线材质；

摩擦纳米发电机的输出电信号经过变压器、整流桥后变为直流电信号，电磁发电机的输出电信号经过整流桥直接变成直流电信号，并联两个发电机得到总的电信号输出为无线发射器供电，并通过无线发射装置即无线发射器无线发射车流状况电信号；

所述检测器在车辆经过产生气流的作用下，叶片（210）带动下，风力转盘带动摩擦纳米发电机的活动部旋转产生的电能和脉冲信号经无线发射器传输到接收装置，实现对车流量的实时检测。