CN109030772B - 自供电边坡状态监测系统和监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于摩擦纳米发电机的自供电边坡状态监测系统和监测方法，所述监测系统包括多个传感器、多个发电机、电源管理模块和信号处理模块，其中传感器采用柔性的摩擦纳米发电机，埋设在公路一侧的边坡土体中，或者设置在边坡防护网上，发生滑坡或者落石事件时产生电信号；所述传感器产生的电信号提供给所述信号处理模块对所述传感器产生的电信号进行处理和判断。其中，所述信号处理模块的电源由采用摩擦纳米发电机的发电机提供。该系统不需要外接电源，对边坡状态进行自驱动的实时监测。系统成本较低，所受限制较少，监测结果准确。

Description

自供电边坡状态监测系统和监测方法

技术领域

本发明涉及自驱动传感领域，特别涉及一种基于摩擦纳米发电机的自供电边坡状态监测系统和监测方法。

背景技术

山体滑坡是我国主要的地质灾害之一，每年都会造成大量的人员伤亡和巨大的经济损失，同时还会对基础设施造成严重的破坏。现有技术中，可用于山体滑坡灾害监测的手段多种多样，但现有的监测手段，操作复杂、成本较高，而且受植被生长和夜间环境限制，监测难度较大、监测准确性较差，此外，监测系统的供电问题也亟待解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于摩擦纳米发电机的自供电边坡状态监测系统，能够对地质灾害进行实时监测，不需要额外提供电源实现自驱动监测。

为了实现上述目的，本发明提供一种自供电边坡状态监测系统，包括多个传感器、多个发电机、电源管理模块和信号处理模块，其中

所述传感器，埋设在公路一侧的边坡土体中，土体形变时引起传感器形变，进而产生电信号，或者设置在边坡防护网上，防护网被落石撞击时引起传感器形变，进而产生电信号；

所述发电机设置边坡附近路面中，被碾压时可以产生电输出，所述发电机的电输出部与所述电源管理模块的输入端电连接；所述电源管理模块的输出端与所述信号处理模块的电输入端电连接；

所述传感器的电输出部与所述信号处理模块的信号输入端电连接；所述信号处理模块对所述传感器产生的电信号进行处理和判断。

优选的，多个所述传感器埋设到边坡的深层位置和浅层的不同位置，形成传感网络；

或者，多个所述传感器安装在边坡防护网的不同位置，形成传感网络。

优选的，所述传感器为摩擦纳米发电机或者压电器件。

优选的，所述传感器为套管结构的摩擦纳米发电机，包括内芯(1-1)和外管(1-2)，其中

内芯(1-1)为柱状结构体，内芯(1-1)套接在外管(1-2)的内孔中；

外管(1-2)采用柔性材料制作，或者内芯(1-1)和外管(1-2)均采用柔性材料制作；

内芯(1-1)表面或者外管(1-2)的内表面设置有导电膜层，导电膜层形成所述传感器的电输出部。

优选的，所述传感器中，还可以在导电膜层上设置摩擦层。

优选的，所述传感器为套管结构的摩擦纳米发电机，包括内芯(1-1)和外管(1-2)，其中

内芯(1-1)为柱状结构体，内芯(1-1)套接在外管(1-2)的内孔中；

外管(1-2)采用柔性材料制作，或者内芯(1-1)和外管(1-2)均采用柔性材料制作；

内芯(1-1)设置有第一导电膜层，外管(1-2)内壁上设置有第二导电膜层；第一导电膜层表面设置有第一介质层，和/或，第二导电膜层表面设置有第二介质层；第一导电膜层和第二导电膜层形成传感器1的电输出部。

优选的，所述传感器中，内芯(1-1)的数量为一根或多根；内芯(1-1)的横截面为由直边构成的任意多边形，或者为全部由曲边构成的形状，或者为由直边和曲边组成的形状。

优选的，所述传感器的外管和/或内芯采用PDMS、硅胶或橡胶制作。

优选的，所述发电机采用摩擦纳米发电机。

优选的，所述发电机包括支架、多个第一摩擦层和多个第二摩擦层，其中，

所述支架为横截面呈蛇形的板状结构，采用弹性材料制作；支架内位置相对的两个平面之间留有间隙，其中一个平面上设置有所述第一摩擦层，另一个平面上设置有第二摩擦层，第一摩擦层和第二摩擦层面对面设置；所述第一摩擦层为由一电极层和一介质层构成的双层结构；所述第二摩擦层为单层结构或双层结构：第二摩擦层为单层结构时，第二摩擦层由导电材料制作；第二摩擦层为双层结构时，为一电极层和一介质层构成的双层结构；位置相对的第一摩擦层和第二摩擦层构成一个摩擦发电单元；多个发电单元串联或并联在所述发电机的两个输出电极之间；两个输出电极形成所述发电机的电输出部。

优选的，所述发电机设置在边坡附近的路面上。

优选的，所述信号处理模块包括无线发射单元。

相应的，本发明还提供一种自供电边坡状态监测方法，采用上述任一项中所述的自供电边坡状态监测系统，当发生山体滑坡或者落石时，设置在土层或者防护网上的传感器由于发生形变，给出电信号，该电信号由信号处理模块处理判断后给出是否发生滑坡或者落石事故，以及发生位置、时间和发生强度的边坡状态。

通过上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种基于摩擦纳米发电机的自供电边坡状态监测系统，包括多个传感器、多个发电机、电源管理模块和信号处理模块，其中传感器采用柔性的摩擦纳米发电机，埋设在公路一侧的边坡土体中，土体形变时引起传感器形变，进而产生电信号，或者设置在边坡防护网上，防护网钢丝绳被落石撞击时引起传感器形变，进而产生电信号；所述传感器产生的电信号提供给所述信号处理模块对所述传感器产生的电信号进行处理和判断。其中，所述信号处理模块的电源由采用摩擦纳米发电机的发电机提供。该系统不需要外接电源，系统成本较低，所受限制较少，监测结果准确。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明自供电边坡状态监测系统的结构示意图；

图2为自供电边坡状态监测系统的传感器设置在边坡的结构示意图；

图3为自供电边坡状态监测系统的传感器设置在边坡防护网的结构示意图；

图4为自供电边坡状态监测系统的传感器的结构示意图；

图5为自供电边坡状态监测系统的传感器的测试结果；

图6为自供电边坡状态监测系统的发电机的结构示意图；

图7为自供电边坡状态监测系统的发电机的输出测试结果。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供的自供电边坡状态监测系统，其基本结构参见图1，包括多个传感器1、多个发电机2、电源管理模块3和信号处理模块4。其中，传感器1，可以埋设在公路一侧的边坡土体中(图2所示)，或者设置在公路一侧的边坡防护网上(图3所示)；传感器1的电输出部与信号处理模块4的信号输入端电连接；所述公路上设置有减速带，减速带的下端面上设置有多个凹槽，凹槽与路面所围空间形成安装腔，发电机2设置在安装腔中，发电机2的电输出部与电源管理模块3的输入端电连接；电源管理模块3的输出端与信号处理模块4的电输入端电连接。信号处理模块4对传感器1产生的电信号进行处理和判断，还可以对于超过一定标准的情况进行边坡状态发送。

将传感器埋设到边坡的不同位置，如边坡的深层和浅层的不同位置，形成传感网络，参见图2。当边坡发生变形时，传感器能够感受到周围滑坡引起的压力变化，自身发生形变，进而产生电信号，通过对传感器电信号的分析，可以得知压力大小，进而判断滑坡事故且定位滑坡事故。该传感网络能用于监测整个边坡的深层滑坡和浅层滑坡。

将传感器安装在边坡防护网如钢丝绳上的不同位置，形成传感网络，参见图3。当落石事故发生时，落石会沿着边坡滚下后撞击钢丝绳。传感器感受钢丝绳的形变产生电信号，通过对传感器电信号的分析，可以得知钢丝绳变形程度，进而判断落石事故的强度且能定位落石事故。

信号处理模块4还可以包括无线发射单元，可以将上述的滑坡事故或当落石事故发生的时间、位置等信息无线发射给道路管理部门，为道路管理和预防灾害提供信息支撑。

传感器1为在边坡土体发生移动或者变形时可以产生电信号的器件，可以为压电器件也可以为摩擦纳米发电机器件，能够对压力、弯曲等作用进行传感。本发明中优选采用套管结构的摩擦纳米发电机，传感器的典型结构参见图4，传感器1包括内芯1-1和外管1-2；内芯1-1为柱状结构体，内芯1-1的数量为一根或多根；内芯1-1的横截面，可以为由直边构成的任意多边形，或者为全部由曲边构成的形状，或者为由直边和曲边组成的形状；内芯1-1套接在外管1-2的内孔中；外管1-2采用柔性材料制作，或者内芯1-1和外管1-2均采用柔性材料制作；内芯1-1表面或者外管1-2的内表面设置有导电膜层，导电膜层形成传感器1的电输出部。当传感器受到土体变形的影响，外管1-2(或者内芯1-1和外管1-2)发生形状改变，内芯1-1和外管1-2发生摩擦产生表面摩擦电荷，将电信号传输给信号处理模块4。传感器1是一种单电极模式的摩擦纳米发电机。如图4中内芯1-1为采用PDMS内芯的横截面为花瓣形状。

为了保护传感器1上设置的导电膜层，还可以在导电膜层上设置摩擦层，摩擦层材料的选择只需要保证内芯1-1和外管1-2互相可以接触的部分材料具有不同的极性，在形变作用下互相接触分离时可以产生电信号即可。

在其他实施例中，传感器1为套管结构的摩擦纳米发电机，包括内芯1-1和外管1-2；内芯1-1为柱状结构体，内芯1-1的数量为一根或多根；内芯1-1的横截面可以为由直边构成的任意多边形，或者为全部由曲边构成的形状，或者为由直边和曲边组成的形状；内芯1-1套接在外管1-2的内孔中；外管1-2采用柔性材料制作，或者内芯1-1和外管1-2均采用柔性材料制作；内芯1-1表面设置有第一导电膜层，外管1-2内壁上设置有第二导电膜层；第一导电膜层表面设置有第一介质层，和/或，第二导电膜层表面设置有第二介质层；第一导电膜层和第二导电膜层形成传感器1的电输出部，传感器1是一种双电极模式的摩擦纳米发电机。

导电膜层可以采用碳、金、银、镍、铜或铝等带电材料制作。内芯1-1可以采用PDMS材料、硅胶或橡胶等制作，外管1-2采用PDMS材料、硅胶或橡胶等制作，需要内芯1-1表面和外管1-2内表面的材料不同，使的互相摩擦后产生表面电荷。介质层可以采用绝缘材料，优选采用聚合物绝缘材料，如聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚氯乙烯或聚二甲基硅氧烷等聚合物材料。

将传感器在持续的压力为40N的激励下，其开路电压和短路电流参见图5。实验过程中发现开路电压和短路电流均随着压力及弯曲角度的增加而增加，随着压力及弯曲角度的减小而减小。短路电流的波形为脉冲形状，当压力或弯曲激励施加给传感器时，短路电流为负的峰值；压力或弯曲激励释放时，短路电流为正的峰值。表明本发明采用的传感器可以对边坡中的土层变化和边坡防护网钢丝绳的形变给出传感电信号。

本发明中，发电机2可以采用任意结构的摩擦纳米发电机，除了设置在减速带位置，也可以设置在边坡附近的其他路面上，如图2所示，用来吸收汽车等经过的碾压机械能转变为电能。这里提供一种优选的发电机结构，参见图6，发电机包括支架2-1、多个第一摩擦层和多个第二摩擦层；支架2-1为横截面呈蛇形的板状结构，支架2-1采用弹性材料制作；支架2-1内位置相对的两个平面之间留有间隙；位置相对的两个平面中，其中一个平面上设置有第一摩擦层，另一个平面上设置有第二摩擦层，第一摩擦层和第二摩擦层面对面设置；所述第一摩擦层为由一电极层和一介质层构成的双层结构；所述第二摩擦层为单层结构或双层结构：第二摩擦层为单层结构时，第二摩擦层由导电材料制作，可以采用金、铜、铝或氧化铟锡制作；第二摩擦层为双层结构时，一电极层和一介质层构成的双层结构；所述电极层设置在平面上，摩擦层设置在电极层表面；所述电极层采用金、铜、铝或氧化铟锡制作；所述介质层采用聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚氯乙烯或聚二甲基硅氧烷制作；位置相对的第一摩擦层和第二摩擦层构成一个摩擦发电单元；多个发电单元串联或并联在发电机2的两个输出电极之间(具体实施时，串联时即将某一个摩擦发电单元的第一摩擦层和其他摩擦发电单元的第二摩擦层短接；并联时即将某些摩擦发电单元的第一摩擦层短接，第二摩擦层也短接)；两个输出电极形成发电机的电输出部。当发电机受到汽车等压力作用，弹性的支架2-1被压缩变形，使第一摩擦层和第二摩擦层互相接触，汽车驶过后，使第一摩擦层和第二摩擦层互相分离，产生电信号输出，经过电源管理模块3后提供给信号处理模块4。

一个具体例子中，汽车经过减速带时，发电机的开路电压和短路电流，参见图7。发电机开路电压和短路电流的峰值可分别达到2058V和154μA。如此高输出，可以满足系统自供电需求，而无需外部电源供电。

相应的，本发明还提供一种边坡状态监测方法，采用上述的边坡状态监测系统，当发生山体滑坡或者落石时，设置在土层或者防护网上的传感器由于发生形变，给出电信号，该电信号由信号处理模块处理判断后给出是否发生滑坡或者落石事故，以及发生位置、时间和发生强度等。信号处理模块所需电能由设置在边坡附件路边的发电机提供。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。例如，各部件的形状、材质和尺寸的变化。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (8)

1.一种自供电边坡状态监测系统，其特征在于，包括多个传感器、多个发电机、电源管理模块和信号处理模块，其中

所述传感器，埋设在边坡土体中，土体形变时引起传感器形变，进而产生电信号；或者设置在边坡防护网上，防护网被落石撞击时引起传感器形变，进而产生电信号；

所述发电机采用摩擦纳米发电机，且设置在边坡附近路面中，在该路面被碾压时可以产生电输出，所述发电机的电输出部与所述电源管理模块的输入端电连接；所述电源管理模块的输出端与所述信号处理模块的电输入端电连接；

所述传感器的电输出部与所述信号处理模块的信号输入端电连接；所述信号处理模块对所述传感器产生的电信号进行处理和判断，

所述传感器为套管结构的摩擦纳米发电机，包括内芯(1-1)和外管(1-2)，其中

内芯(1-1)为柱状结构体，内芯(1-1)套接在外管(1-2)的内孔中；

外管(1-2)采用柔性材料制作，或者内芯(1-1)和外管(1-2)均采用柔性材料制作；

内芯(1-1)设置有第一导电膜层，外管(1-2)内壁上设置有第二导电膜层；第一导电膜层表面设置有第一介质层，和/或，第二导电膜层表面设置有第二介质层；第一导电膜层和第二导电膜层形成传感器1的电输出部。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，多个所述传感器埋设到边坡的深层位置和浅层的不同位置，形成传感网络；

或者，多个所述传感器安装在边坡防护网的不同位置，形成传感网络。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器中，还可以在导电膜层上设置摩擦层。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器中，

内芯(1-1)的数量为一根或多根；内芯(1-1)的横截面为由直边构成的任意多边形，或者为全部由曲边构成的形状，或者为由直边和曲边组成的形状。

5.根据权利要求1中所述的系统，其特征在于，所述传感器的外管和/或内芯采用PDMS、硅胶或橡胶制作。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发电机包括支架、多个第一摩擦层和多个第二摩擦层，其中，

所述支架为横截面呈蛇形的板状结构，采用弹性材料制作；支架内位置相对的两个平面之间留有间隙，其中一个平面上设置有所述第一摩擦层，另一个平面上设置有第二摩擦层，第一摩擦层和第二摩擦层面对面设置；所述第一摩擦层为由一电极层和一介质层构成的双层结构；所述第二摩擦层为单层结构或双层结构：第二摩擦层为单层结构时，第二摩擦层由导电材料制作；第二摩擦层为双层结构时，为一电极层和一介质层构成的双层结构；位置相对的第一摩擦层和第二摩擦层构成一个摩擦发电单元；多个发电单元串联或并联在所述发电机的两个输出电极之间；两个输出电极形成所述发电机的电输出部。

7.根据权利要求1-6任一项中所述的系统，其特征在于，所述信号处理模块包括无线发射单元。

8.一种自供电边坡状态监测方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一项中所述的自供电边坡状态监测系统，当发生山体滑坡或者落石时，设置在土层或者防护网上的传感器由于发生形变，给出电信号，该电信号由信号处理模块处理判断后给出是否发生滑坡或者落石事故，以及发生位置、时间和发生强度的边坡状态。

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