CN108551272B - 基于声音能量的摩擦纳米发电机的速度传感器及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于摩擦纳米技术领域，其涉及基于声音能量的摩擦纳米发电机及采用该发电机的速度传感器及速度传感器的应用，现有利用声音能量的发电机和声音传感器，普遍存在不能很好的将声音聚集，导致大部分声音能量浪费掉，基于声音能量的摩擦纳米发电机，包括圆柱形空心管道组成的声音管道和摩擦纳米发电机，独特的管式结构设计有利于声能的聚集和声压的增强，在摩擦纳米技术领域有很好的发展前景。

Description

基于声音能量的摩擦纳米发电机的速度传感器及其应用
技术领域
本发明属于摩擦纳米技术领域，具体涉及管道结构的基于声音能量的摩擦纳米发电机及采用该发电机的速度传感器及速度传感器的应用。
背景技术
摩擦纳米发电机是一种新型的自供电装置，利用摩擦电效应和静电感应相结合的原理，它能够从环境中直接收集微小能量变化并将其转化为电能；其已被证明可安装在一个小型机械泵上，将机械泵的声波能量转化为电能，可以作为稳定的电源直接点燃8个绿色商业发光二极管，这表明，摩擦电纳米发电机在实际环境中有很大的应用潜力，例如在工厂中用该摩擦纳米发电机制作成阵列，可以收集某些连续运转的机器产生的噪音能量。
现有利用声音能量的发电机和声音传感器，普遍存在不能很好的将声音聚集，并传递至发电机供其使用的问题。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明提供基于声音能量的摩擦纳米发电机及采用该发电机的速度传感器及速度传感器的应用，解决难以收集较多声音的问题。
其技术方案是，摩擦纳米发电模块，包括摩擦纳米发电机和声音收集部分，所述声音收集部分包括第一声音管道，所述第一声音管道由中空管状结构构成，所述第一声音管道包含第一中空管状结构和第二中空管状结构，所述中空管状结构为圆柱管，所述摩擦纳米发电机包括导电布，所述第二中空管状结构位于第一中空管状结构的一端端口固定摩擦纳米发电机，所述第二中空管状结构端口与摩擦纳米发电机导电布布面垂直，所述第一中空管状结构直径大于第二中空管状结构，所述第二中空管状结构固定摩擦纳米发电机的一端位于第一中空管状结构内部，所述摩擦纳米发电机边缘与第一中空管状结构内壁相贴，当声音从中空管状结构进入，摩擦纳米发电机振动发电，声音在中空管状结构空间以球面波传输，当声波波长远大于管口直径时管状结构能够将球面波转化为平面波，平面波声波能量在平行方向更加集中，有利于增强摩擦纳米发电机的输出，声音在空气中速度约为340m/s，也就是说20000Hz的声音，波长为1.7cm，生活中频率噪声频率一般都是低频噪声，火车运行声音频率在250-2000Hz，此时声音最小波长为17cm，此时管道直径可以设置低于10cm，此时管道中声波可视为平面波，所述第一中空管状结构作用是进一步收集声音，管口越大收集声音能力越强，另外声音进入所述第一中空管状结构中与管壁碰撞可以形成回声，进一步增大增强声压。
速度传感器，包括第二声音管道和摩擦纳米发电机，所述第二声音管道由中空管状结构构成，所述中空管状结构为圆柱管，所述第二声音管道包括一个第一中空管状结构和两个第二中空管状结构，各所述第二中空管状结构端口固定摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机包括导电布，各所述第二中空管状结构端口与摩擦纳米发电机导电布布面垂直，各所述第二中空管状结构整体位于第一中空管状结构内部，各所述第二中空管状结构固定连接摩擦纳米发电机的端口在第一中空管状结构一侧，各所述摩擦纳米发电机中心距离为S，当声音从中空管状结构进入，摩擦纳米发电机振动发电，声音在中空管状结构空间以球面波传输，当声波波长远大于管口直径时管状结构能够将球面波转化为平面波，平面波声波能量在平行方向更加集中，有利于增强摩擦纳米发电机的输出，声音在空气中速度约为340m/s，也就是说20000Hz的声音，波长为1.7cm，生活中频率噪声频率一般都是低频噪声，火车运行声音频率在250-2000Hz，此时声音最小波长为17cm，此时管道直径可以设置低于10cm，此时管道中声波可视为平面波，所述第一中空管状结构作用是进一步收集声音，管口越大收集声音能力越强，另外声音进入所述第一中空管状结构中与管壁碰撞可以形成回声，进一步增大增强声压。
将上述速度传感器置于铁轨、地铁、道路、飞机场一侧的固定装置上并利用收集到的声音信号进行测速的应用，将速度传感器上声音管道未固定摩擦纳米发电机的一端端口朝向铁轨、地铁、道路、飞机场所在方向，声音管道所在方向垂直于铁轨、地铁、道路或飞机场延伸方向，利用该摩擦纳米发电机制作成的声音传感器可以测量火车、地铁、汽车等各种能够产生噪声的瞬时速度，将该声音速度传感器固定于火车、地铁等各种轨道、公路两旁，当携带噪音的交通工具沿垂直管径方向通过该声音速度传感器时，内部两个发电机会检测到两段电压信号，当噪音与探测器内部第一个摩擦纳米发电机垂直时，第一段电压信号达到一个最大值，此时该最大值对应一个时间t1，当噪音与探测器内部第二个摩擦纳米发电机垂直时，第二段电压信号达到一个最大值，此时该最大值对应一个时间t2，在这两个时间之间，携带声源的交通工具移动距离为两摩擦纳米发电机中心距离s，由于v=s/t，则交通工具速度为v=s/(t2-t1)，由于两摩擦纳米发电机中心相距很近，且火车、地铁、汽车速度较快，该速度v可视为瞬时速度。
本发明的技术效果是，独特的管式结构设计有利于声能的聚集和声压的增强,最大程度上利用声音振动产生的能量，应用于测速仪中，得到的数据更加准确。
附图说明
图1为本发明摩擦纳米发电模块的结构示意图。
图2为速度传感器的结构示意图。
图3为摩擦纳米发电机结构示意图。
图4为本发明电压输出。
图5为图4中方框内的电压放大图。
图6为本发明的速度传感器测量声源通过时的电压信号。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对具体实施方式做进一步详细说明。
实施例一：由图1至图5给出，包括摩擦纳米发电机4和声音收集部分，所述声音收集部分包括第一声音管道1，所述第一声音管道1由中空管状结构构成，所述第一声音管道1包含第一中空管状结构2和第二中空管状结构3，所述中空管状结构为圆柱管，所述摩擦纳米发电机包括导电布5，所述第二中空管状结构3位于第一中空管状结构2的一端端口固定摩擦纳米发电机4，所述第二中空管状结构3端口与摩擦纳米发电机导电布布面垂直，所述第一中空管状结构2直径大于第二中空管状结构3，所述第二中空管状结构3固定摩擦纳米发电机的一端位于第一中空管状结构2内部，所述摩擦纳米发电机边缘与第一中空管状结构2内壁相贴，当声音从中空管状结构进入，摩擦纳米发电机振动发电，声音在中空管状结构空间以球面波传输，当声波波长远大于管口直径时管状结构能够将球面波转化为平面波，平面波声波能量在平行方向更加集中，有利于增强摩擦纳米发电机的输出，声音在空气中速度约为340m/s，也就是说20000Hz的声音，波长为1.7cm，生活中频率噪声频率一般都是低频噪声，火车运行声音频率在250-2000Hz，此时声音最小波长为17cm，此时管道直径可以设置低于10cm，此时管道中声波可视为平面波，所述第一中空管状结构2作用是进一步收集声音，管口越大收集声音能力越强，另外声音进入所述第一中空管状结构2中与管壁碰撞可以形成回声，进一步增大增强声压。
实施例二：由图2至图5给出，速度传感器，包括第二声音管道6和摩擦纳米发电机4，所述第二声音管道6由中空管状结构构成，所述中空管状结构为圆柱管，所述第二声音管道6包括一个第一中空管状结构2和两个第二中空管状结构3，各所述第二中空管状结构3端口固定摩擦纳米发电机4，所述摩擦纳米发电机包括导电布5，各所述第二中空管状结构3端口与摩擦纳米发电机导电布布面垂直，各所述第二中空管状结构3整体位于第一中空管状结构2内部，各所述第二中空管状结构3固定连接摩擦纳米发电机的端口在第一中空管状结构2一侧，各所述摩擦纳米发电机中心距离为S，当声音从中空管状结构进入，摩擦纳米发电机4振动发电，声音在中空管状结构空间以球面波传输，当声波波长远大于管口直径时管状结构能够将球面波转化为平面波，平面波声波能量在平行方向更加集中，有利于增强摩擦纳米发电机的输出，声音在空气中速度约为340m/s，也就是说20000Hz的声音，波长为1.7cm，生活中频率噪声频率一般都是低频噪声，火车运行声音频率在250-2000Hz，此时声音最小波长为17cm，此时管道直径可以设置低于10cm，此时管道中声波可视为平面波，所述第一中空管状结构2作用是进一步收集声音，管口越大收集声音能力越强，另外声音进入所述第一中空管状结构2中与管壁碰撞可以形成回声，进一步增大增强声压。
在一、二实施例中，所述摩擦纳米发电机4包括第一电极导电布、静电纺丝PVDF膜、kapton隔膜和第二电极导电布，所述第一电极导电布、静电纺丝PVDF膜、kapton隔膜和第二电极导电布依次叠放形成三明治结构，所述静电纺丝PVDF膜由静电纺丝收集器在马达带动下旋转收集得到，马达转速可调0—1200r/min，pvc管固定在亚克力板上，亚克力板固定在马达转轴上，这种方法采集到的PVDF膜的纳米线取向更好，排列更整齐，输出更好，所述kapton隔膜是一种柔性塑料薄膜，中间的孔洞是为了下层的第二电极导电布在声音的振动下能够与上层的PVDF薄膜产生接触分离的过程，用外电路将第一导电布和第二电极导电布连接起来，当下层的第二电极导电布与PVDF薄膜接触时，由于摩擦起电效应，下层的第二电极导电布带正电，上层的PVDF膜带负电，当两者分离时，由于此时PVDF膜与下层第二电极导电布带有符号相反的电荷，此时两者之间存在电势差，为平衡这个电势由静电感应现象在上层第一电极导电布上感应出与PVDF上相反电性的电荷，此时外电路产生瞬时电流，当PVDF膜与导电布再次接触时，电势降低，感应电荷向相反方向流动，此时外部电路形成与刚才方向相反的瞬时电流。
实施例三：由图6给出，将该速度传感器置于铁轨、地铁、道路、飞机场一侧的固定装置上并利用收集到的声音信号进行测速的应用，将速度传感器上声音管道未固定摩擦纳米发电机的一端端口朝向铁轨、地铁、道路、飞机场所在方向，声音管道所在方向垂直于铁轨、地铁、道路或飞机场延伸方向，利用该摩擦纳米发电机制作成的声音传感器可以测量火车、地铁、汽车等各种能够产生噪声的瞬时速度，将该声音速度传感器固定于火车、地铁等各种轨道、公路两旁。
该声音传感器使用方法：将该声音传感器与可检测电压的装置相连，当携带噪音的交通工具沿垂直管径方向通过该声音速度传感器时，内部两个发电机会检测到两段电压信号，当噪音传播方向与探测器内部第一个摩擦纳米发电机中心垂直时，第一段电压信号达到一个最大值，此时该最大值对应一个时间t1，当噪音传播方向与探测器内部第二个摩擦纳米发电机垂直时，第二段电压信号达到一个最大值，此时该最大值对应一个时间t2，在这两个时间之间，携带声源的交通工具移动距离为两摩擦纳米发电机中心距离s，由于v=s/t，则交通工具速度为v=s/(t2-t1)，由于两摩擦纳米发电机中心相距很近，且火车、地铁、汽车速度较快，该速度v可视为瞬时速度。
本发明的技术效果是，独特的管式结构设计有利于声能的聚集和声压的增强,最大程度上利用声音振动产生的能量，应用于测速仪中，得到的数据更加准确。
以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制，在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.速度传感器，包括声音管道（6）和两个摩擦纳米发电机（4），其特征在于，所述声音管道（6）由中空管状结构构成，所述中空管状结构为圆柱管，所述声音管道（6）包括一个第一中空管状结构（2）和两个第二中空管状结构（3），各所述第二中空管状结构（3）远离所述第一中空管状结构（2）管口的一端固定一个摩擦纳米发电机（4），所述摩擦纳米发电机包括导电布，各所述第二中空管状结构（3）端口与摩擦纳米发电机导电布布面垂直，各所述第二中空管状结构（3）整体位于第一中空管状结构（2）内部，各所述第二中空管状结构（3）固定连接摩擦纳米发电机的端口在第一中空管状结构（2）一侧;所述摩擦纳米发电机中心距离为s，当声音从中空管状结构进入，摩擦纳米发电机（4）振动发电，声音在中空管状结构空间以球面波传输，采集声音频率250-2000Hz，声音最小波长为17cm，管道直径设置低于10cm，将球面波转化为平面波，平面波声波能量在平行方向更加集中，增强摩擦纳米发电机的输出；声音进入所述第一中空管状结构（2）中与管壁碰撞形成回声，进一步增大增强声压；将该速度传感器与可检测电压的装置相连，当携带噪音的交通工具沿垂直管径方向通过该速度传感器时，内部两个发电机会检测到两段电压信号，当噪音传播方向与探测器内部第一个摩擦纳米发电机中心垂直时，第一段电压信号达到一个最大值，此时该最大值对应一个时间t1，当噪音传播方向与探测器内部第二个摩擦纳米发电机垂直时，第二段电压信号达到一个最大值，此时该最大值对应一个时间t2，在这两个时间之间，携带声源的交通工具移动距离为两摩擦纳米发电机中心距离s，由于v=s/t，则交通工具速度为v=s/(t2-t1)。
2.权利要求1所述的速度传感器的应用，其特征在于，将该速度传感器置于铁轨、地铁、道路、飞机场一侧的固定装置上并利用收集到的声音信号进行测速的应用，将速度传感器上声音管道未固定摩擦纳米发电机的一端端口朝向铁轨、地铁、道路、飞机场所在方向，声音管道所在方向垂直于铁轨、地铁、道路或飞机场延伸方向。
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