CN106568986B - 自驱动风传感器 - Google Patents
自驱动风传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106568986B CN106568986B CN201610940185.3A CN201610940185A CN106568986B CN 106568986 B CN106568986 B CN 106568986B CN 201610940185 A CN201610940185 A CN 201610940185A CN 106568986 B CN106568986 B CN 106568986B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- conductive electrode
- generator
- friction generator
- sensing
- wind sensor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 29
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 claims abstract description 17
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims abstract description 17
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000010248 power generation Methods 0.000 claims description 15
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N acrylic acid group Chemical group C(C=C)(=O)O NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 210000004209 hair Anatomy 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000002783 friction material Substances 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
- G01P5/001—Full-field flow measurement, e.g. determining flow velocity and direction in a whole region at the same time, flow visualisation
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P13/00—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement
- G01P13/02—Indicating direction only, e.g. by weather vane
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
- H02N1/04—Friction generators
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Wind Motors (AREA)
Abstract
本发明公开了一种自驱动风传感器，传感摩擦发电机为多个，每个传感摩擦发电机包括上下两块绝缘基底，两个绝缘基底相对的面上分别粘贴导电电极作为上下极，绝缘基底与导电电极的尺寸大小相同，上下两块绝缘基底上的导电电极之间有间隙，在上、下的导电电极之间设置PTFE薄膜，PTFE薄膜的尺寸小于绝缘基底，PTFE薄膜的厚度小于上、下的导电电极之间的间隙，绝缘基底、导电电极以及PTFE薄膜装成一端固定、另一端为自由端的书状结构；多个传感摩擦发电机围成多边形的传感器，每个传感摩擦发电机分别用铜线引出电流，并在各自的电路上连接指示灯和能得出发电机频率的测量装置。制作简单，成本低，输出稳定，测量范围大，灵敏度高且无需电池。
Description
技术领域
本发明涉及一种风传感器，特别涉及一种自驱动的风传感器。
背景技术
风传感器包括风速传感器和风向传感器，已经被广泛应用于气象、农业、军事等各个方面，其风速的测量范围和测量精度从0.1米每秒到上百米每秒。而常见的风速传感器的原理主要分为三类：机械转动型，光电转换型，还有超声波型。它们都各有优缺点，其都有的缺点就是：一、体积大，风向单一；二、测量范围、测量精度、响应时间不能都达到最优；三、都需要外电源供电；四、价格相对昂贵。
摩擦电纳米发电机是利用摩擦电效应和静电感应效应原理得以实现的，其结构简单，成本低廉，可以收集生活环境中不同形式的机械能将其转化为电能，这不仅可以用来发电提供电子设备使用，而且可以根据转化关系测量出相应机械的一些物理信息，比如速度、加速度、方向、压力、频率等。
发明内容
针对现有的问题，本发明的目的在于提供一种自驱动风传感器，首次将摩擦发电机应用到风传感器，可准确测量风速和风向等信息。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是这样的：一种自驱动风传感器，其特征在于：包括收集风能的摩擦发电机。
上述方案中：所述传感摩擦发电机为多个，每个传感摩擦发电机包括上下两块绝缘基底(1)，两个绝缘基底(1)相对的面上分别粘贴导电电极(2)作为上下极，所述绝缘基底(1)与导电电极(2)的尺寸大小相同，所述上下两块绝缘基底(1)上的导电电极(2)之间有间隙，在上、下的导电电极(2)之间设置PTFE薄膜(3)，所述PTFE薄膜(3)的尺寸小于绝缘基底(1)，所述PTFE薄膜(3)的厚度小于上、下的导电电极(2)之间的间隙，所述绝缘基底(1)、导电电极(2)以及PTFE薄膜(3)装成一端固定、另一端为自由端的书状结构；多个传感摩擦发电机围成多边形的传感器，每个传感摩擦发电机分别用铜线引出电流，并在各自的电路上连接指示灯(5)和能得出发电机频率的测量装置。
采用上述方案，本发明将摩擦发电机应用于风传感器，PTFE和导电电极做摩擦材料，其中导电电极同时充当上下电极，这样就得到一个收集风能的摩擦发电机(WTEG),然后我们将相同的单元(摩擦发电机)在同一水平面的不同方向排列成多边形，就可以得到一个收集风能并利用收集到的能量来驱动自身的风传感器。通过分析发现，发电机频率与风速大小的呈线性关系较好，通过发电机频率来计算风速大小，用各个方向的小灯泡是否发光来确定风向，精准度可达到0.12m/s。
该装置：一、体积小，可实现多风向检测；二、测量范围、测量精度、响应时间能都达到最优；三、不需要外电源供电；四、价格相对便宜。
作为上述方案的优选：所述能得出发电机频率的测量装置包括整流器(4)、电路放大器(6)、电流测量模块(7)、电压测量模块(8)和显示单元(9)，所述整流器(4)连接在指示灯(5)之前，所述整流器(4)同时与电路放大器(6) 相连，所述电路放大器(6)信号输出端与电流测量模块(7)和电压测量模块(8)相连，所述电流测量模块(7)和电压测量模块(8)的信号输出端与显示单元(9)的信号接收端相连。我们用电路放大器放大电流后测量各个方向整流后输出的电流、电压，根据电流图像得到发电机频率。
作为上述方案的优选：所述能得出发电机频率的测量装置为串联在电路上的示波器。示波器为现有技术，可以直接将电信号变换成看得见的图象。
作为上述方案的优选：采用计数模块测量发电机频率。
上述方案中：所述绝缘基底为亚克力板。
上述方案中：所述传感摩擦发电机为八个，八个所述传感摩擦发电机围成八边形。根据八卦东、南、西、北、西南、西北、东北和东南布置，可以收集到来自各个方向的风能。
在上述方案中：上、下的所述导电电极之间的间隙为1.5mm。
上述方案中：所述多边形的传感器的每个边的传感摩擦发电机的下方还可以叠加至少一层发电摩擦发电机以增大输出电流，所述发电摩擦发电机的结构与传感摩擦发电机完全相同，每层的发电摩擦发电机并联。通过垂直叠加发电摩擦发电机，并联输出，来提高单位体积的风能的转化效率。
本发明的有益效果是：与现有技术相比：本发明首次采用了摩擦发电机原理，设计出一款可以收集多个方向的风能进行驱动自身的风传感器，此传感器不需要改变方向，便可随机测量来自多个不同方向的风向和风速信息。同时可以叠加多层发电摩擦发电机，提高风能的利用率，增大输出，充当其它电子设备的能量源，制作简单，成本低，输出稳定，测量范围大，灵敏度高且无需电池，应用前景好。
附图说明
图1为本传感器的发电原理示意图(a左)，有限元计算电势分布图(a右)，风速为12m/s时，输出电流电压示意图(b)。
图2为发电机频率与风速大小的线性关系图。
图3为输出电流与风速大小的关系图。
图4为实施例1传感摩擦发电机的结构示意图。
图5为实施例2的传感摩擦发电机的结构示意图。
图6为实施例3的传感摩擦发电机的结构示意图。
图7为发电摩擦发电机的结构图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的描述：
实施例1
如图4所示，取两片完全相同的亚克力(4cm×1.5cm)(大小不限于此)板为绝缘基底1。两个绝缘基底1相对的面上分别粘贴导电电极2作为上下极，绝缘基底1与导电电极2的尺寸大小相同，上下两块绝缘基底1上的导电电极2之间有间隙，该间隙为1.5mm，在上、下的导电电极2之间设置PTFE薄膜3，PTFE薄膜3的尺寸(长和宽)略小于绝缘基底1，PTFE薄膜3的厚度小于上、下的导电电极2之间的间隙，绝缘基底1、导电电极2以及PTFE薄膜3装成一端固定、另一端为自由端的书状结构。多个这样的传感摩擦发电机围成多边形，这里优选为八个传感摩擦发电机，围成八边形。每个传感摩擦发电机分别用铜线引出电流，铜线连通上下的导电电极2，并在各自的电路上连接整流器4和指示灯5。
整流器4引一条线与电路放大器6相连，电路放大器6信号输出端与电流测量模块7和电压测量模块8相连，电流测量模块7和电压测量模块8的信号输出端与显示单元9的信号接收端相连。整流后的电流通过电路放大器6放大后采用电流测量模块7和电压测量模块8测量电流和电压，显示单元9显示电流图像。从图2和图3可以看出，频率与风速大小的线性关系更好。从电流图像得到发电机频率，根据图2的发电机频率与风速大小的线性关系图得出风速的大小。当某个方向有风，传感摩擦发电机就能收集到该方向上的风能，转化为电能，该方向的指示灯就会亮起，同时，也能测试出风能的大小。
实施例2，其它与实施例1相同，不同的是如图5所示，每个摩擦发电机分别用铜线引出电流，并在各自的电路上连接示波器10和指示灯5。示波器10用于测量发电机频率。
实施例3，其它与实施例1相同，不同的是，采用计数模块11来测量发电机频率。采用技术模块11测量发电机频率的方法为现有技术，如专利文献CN103869155A中公开的方法。
实施例4，其他与实施例1、2或3相同，不通的是，多边形的传感器的每个边的传感摩擦发电机的下方还可以叠加至少一层发电摩擦发电机以增大输出电流，所述发电摩擦发电机的结构与传感摩擦发电机完全相同，每层的发电摩擦发电机并联，层与层之间再并联，每个发电摩擦发电机采用铜线引出电流，铜线连通上下的导电电极2，并在各自的电路上连接整流器4和电容器12。通过垂直叠加发电摩擦发电机，并联输出，来提高单位体积的风能的转化效率。这样自驱动风传感器也能作为电源使用。如：
为测试作为电源的能力，我们在每个方向上叠加5个发电摩擦发电机，垂直叠加并联，驱动43盏商业LED，可见输出可达到8μA.
给10微法的电容器充电的同时驱动温度传感器，从0V冲到1.6V用时100秒。
本发明不局限于上述具体实施例，应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。总之，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种自驱动风传感器，其特征在于：包括收集风能的传感摩擦发电机，所述传感摩擦发电机为多个，每个传感摩擦发电机包括上下两块绝缘基底（1），两个绝缘基底（1）相对的面上分别粘贴导电电极（2）作为上下极，所述绝缘基底（1）与导电电极（2）的尺寸大小相同，所述上下两块绝缘基底（1）上的导电电极（2）之间有间隙，在上、下的导电电极（2）之间设置PTFE薄膜（3），所述PTFE薄膜（3）的尺寸小于绝缘基底（1），所述PTFE薄膜（3）的厚度小于上、下的导电电极（2）之间的间隙，所述绝缘基底（1）、导电电极（2）以及PTFE薄膜（3）装成一端固定、另一端为自由端的书状结构；多个传感摩擦发电机围成多边形的传感器，每个传感摩擦发电机分别用铜线引出电流，并在各自的电路上连接指示灯（5）和能得出发电机频率的测量装置。
2.根据权利要求1所述自驱动风传感器，其特征在于：所述能得出发电机频率的测量装置包括整流器（4）、电路放大器（6）、电流测量模块（7）、电压测量模块（8）和显示单元（9），所述整流器（4）连接在指示灯（5）之前，所述整流器（4）同时与电路放大器（6）相连，所述电路放大器（6）信号输出端与电流测量模块（7）和电压测量模块（8）相连，所述电流测量模块（7）和电压测量模块（8）的信号输出端与显示单元（9）的信号接收端相连。
3.根据权利要求1所述自驱动风传感器，其特征在于：所述能得出发电机频率的测量装置为串联在电路上的示波器（10）。
4.根据权利要求1所述自驱动风传感器，其特征在于：采用计数模块（11）测量发电机频率。
5.根据权利要求1-4任一项所述自驱动风传感器，其特征在于：所述传感摩擦发电机为八个，八个所述传感摩擦发电机围成八边形。
6.根据权利要求5所述自驱动风传感器，其特征在于：所述绝缘基底（1）为亚克力板。
7.根据权利要求5所述自驱动风传感器，其特征在于：上、下的所述导电电极（2）之间的间隙为1.5mm。
8.根据权利要求1所述自驱动风传感器，其特征在于：所述多边形的传感器的每个边的传感摩擦发电机的下方还可以叠加至少一层发电摩擦发电机以增大输出电流，所述发电摩擦发电机的结构与传感摩擦发电机完全相同，每层的发电摩擦发电机并联。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610940185.3A CN106568986B (zh) | 2016-11-01 | 2016-11-01 | 自驱动风传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610940185.3A CN106568986B (zh) | 2016-11-01 | 2016-11-01 | 自驱动风传感器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN106568986A CN106568986A (zh) | 2017-04-19 |
| CN106568986B true CN106568986B (zh) | 2019-05-14 |
Family
ID=58534832
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610940185.3A Expired - Fee Related CN106568986B (zh) | 2016-11-01 | 2016-11-01 | 自驱动风传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN106568986B (zh) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107144704B (zh) * | 2017-04-24 | 2020-11-06 | 北京科技大学 | 一种自驱动紫外光与风速传感集成系统 |
| CN106970242A (zh) * | 2017-05-05 | 2017-07-21 | 大连海事大学 | 一种自供能液体流速计 |
| CN108828156A (zh) * | 2018-07-03 | 2018-11-16 | 佛山市影腾科技有限公司 | 一种用于车辆的气味传感器的自供电系统 |
| CN112022160A (zh) * | 2020-08-19 | 2020-12-04 | 南京邮电大学 | 一种自驱动式肺功能检测装置 |
| CN112034201A (zh) * | 2020-08-19 | 2020-12-04 | 南京邮电大学 | 一种自驱动式流速流量传感器 |
| CN113304678A (zh) * | 2021-06-04 | 2021-08-27 | 大连海事大学 | 一种基于柔性膜摩擦纳米发电机的流动控制装置及工作方法 |
| CN113794396B (zh) * | 2021-07-20 | 2024-06-04 | 浙江大学 | 一种具有狭缝效应高效收集风能的摩擦纳米发电机 |
| CN113644839B (zh) * | 2021-07-20 | 2023-12-29 | 浙江大学 | 一种风速风向自驱动感知装置 |
| CN114755448B (zh) * | 2022-04-26 | 2024-05-10 | 重庆大学 | 基于卡门涡街效应和摩擦纳米发电的水流流速传感器 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104682767B (zh) * | 2013-12-03 | 2017-06-30 | 北京纳米能源与系统研究所 | 基于单电极的旋转式摩擦电纳米发电机和流体流速传感器 |
| CN203896221U (zh) * | 2014-05-16 | 2014-10-22 | 纳米新能源（唐山）有限责任公司 | 基于纳米发电机的智能控制装置及智能控制系统 |
| CN105203790B (zh) * | 2014-06-27 | 2018-06-26 | 北京纳米能源与系统研究所 | 静电式速度传感器 |
| KR101487926B1 (ko) * | 2014-09-16 | 2015-02-06 | (주)도암엔지니어링 | 하이브리드 타입의 풍황 측정 및 보정 시스템 |
| CN204131203U (zh) * | 2014-09-23 | 2015-01-28 | 重庆大学 | 一种无线传感器网络节点的自供电装置 |
-
2016
- 2016-11-01 CN CN201610940185.3A patent/CN106568986B/zh not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106568986A (zh) | 2017-04-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106568986B (zh) | 自驱动风传感器 | |
| Wang et al. | Self-powered wind sensor system for detecting wind speed and direction based on a triboelectric nanogenerator | |
| Lin et al. | Recent progress in triboelectric nanogenerators as a renewable and sustainable power source | |
| CN103795288B (zh) | 一种转动式静电发电装置 | |
| Zhao et al. | Calliopsis structure-based triboelectric nanogenerator for harvesting wind energy and self-powerd wind speed/direction sensor | |
| CN103389325A (zh) | 一种基于纳米摩擦发电机的主动式可视化湿度检测系统 | |
| Gao et al. | A turbine disk-type triboelectric nanogenerator for wind energy harvesting and self-powered wildfire pre-warning | |
| CN108240877B (zh) | 压力传感器、压力测量系统及压力传感器的制造方法 | |
| CN103389417A (zh) | 小型光伏发电系统数据监测采集装置 | |
| CN110768567A (zh) | 一种基于摩擦纳米发电机的传感系统及其控制方法 | |
| CN105978394A (zh) | 柔性自发电式加速度传感器 | |
| CN107707149A (zh) | 基于纸基的堆叠摩擦纳米发电机 | |
| CN111407281A (zh) | 一种基于杠杆原理的呼吸自驱动微气流传感器及其制备方法 | |
| Li et al. | WGUs sensor based on integrated wind-induced generating units for 360 wind energy harvesting and self-powered wind velocity sensing | |
| CN107276495B (zh) | 基于风能和太阳能的复合发电机和复合发电系统 | |
| CN106706955B (zh) | 一种风速测量仪及其测量方法 | |
| Ravichandran et al. | Demonstration of friction-based triboelectric nanogenerator and integration in a power-balanced fully autonomous system | |
| Menéndez et al. | Displacement current-based energy harvesters in power grids: Topologies and performance evaluation | |
| Liang et al. | Self-powered active vibration sensor by peak–valley data processing independent of the environment toward structural health monitoring | |
| CN109698544A (zh) | 基于摩擦纳米发电机的风力发电集成系统 | |
| CN110146010B (zh) | 一种自驱动的高精度角度测量系统及方法 | |
| CN202793450U (zh) | 小型光伏发电系统数据监测采集装置 | |
| Wang et al. | Composited pressure-velocity sensor based on sandwich-like triboelectric nanogenerator for smart traffic monitoring | |
| CN102494837B (zh) | 真空传感器 | |
| KR200447670Y1 (ko) | 교육용의 에너지수집 실험 장치 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20190514 |