CN110488345A - 基于摩擦发电的地震测试装置 - Google Patents

Abstract

一种基于摩擦发电的地震测试装置，属于摩擦发电领域。技术方案：包括：纳米摩擦发电装置、霍尔传感器、单片机，所述纳米摩擦发电装置分别与所述霍尔传感器、单片机连接，所述霍尔传感器与所述单片机连接；所述纳米摩擦发电装置包括：亚克力板A、发电层、亚克力板B，所述亚克力板A和亚克力板B之间设置有若干个发电层，所述发电层包括乙基纤维素层和铝箔纸层，所述乙基纤维素层和铝箔纸层可分离式连接。有益效果:本发明解决了传统的电磁感应发电机的波浪能能量收集设备一般体积大、重量沉的问题，通过纳米摩擦生电利用震动的机械能转化为电能，并通过霍尔传感器和单片机对电流进行检测和处理，通过蓝牙进行无线传输来第一时间进行地震的预警。

Description

基于摩擦发电的地震测试装置

技术领域

本发明属于摩擦发电领域，尤其涉及一种基于摩擦发电进行地震测试的装置。

背景技术

地震灾害对于人类来讲是一种可怕的事情，它是指由地震而引起强烈的地面震动及随之而生的地面裂缝和变形，能使建筑物倒塌和设施损害、交通中断、甚至是生命危险。它随之引起的火灾、有毒气体的泄露、放射性物质的污染、人畜伤亡等事件更是让人不寒而栗。那么我们尽早知道地震的到来就显得十分重要。比我们身体感觉到震感提前得知到地震的到来能大大减少我们的损失。

一般地震级的大小程度可以分为七类，分别是超微震，此时的震感小于1级，弱震，震感小于3级，这种震动幅度不足以让人们察觉，有感地震，此时人们虽然会感觉到震感，但一般情况下却不会造成损害，中强震，强震，大地震，和巨大地震均会对社会造成破坏，依次递增。在2008年5月12日，汶川在一次大地震的侵袭下，数以万计的生命遇难，这让我们见识到了地震的威力，告诉我们地震灾害不可小觑，提前预防的重要性。

地震有着突发性强的特点，往往令人猝不及防，一次地震持续的时间虽然只有十几秒，但在如此短暂的时间内造成大量的建筑物倒塌和人员伤亡。像出名的唐山大地震就是在夜里人们都熟睡之时，突发的侵袭造成很多人丧失了生命，令很多家庭支离破碎。如果能在地震到来之前尽快的预测出方向和震感，这对于人的生命安全是一种保障，能够在一定程度上减轻地震所造成的人员伤亡，经济损失和社会的影响。但地震的防御难度比较大，像是与洪水，台风等灾害相比，对于地震的预测要困难得多，为了降低地震所带来的伤害，我国相对建立了地震监测系统和测量记录地震时地面相应运动的机器。

我国地震电磁扰动的研究迎来了新的开端。但是感应式电磁传感器是利用法拉第电磁感应定律测量磁场变化的传感器，是最常见、最重要的磁场测量手段之一，是地震电磁干扰仪器的核心部件，也是阻碍当前我国地震电磁扰动仪器装备研发和推广应用的瓶颈技术。由于电磁扰动仪器装备的研发到达了瓶颈期，并且电磁扰动仪器设备复杂昂贵，不能在短时间内大面积使用。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于摩擦发电的地震测试装置，该装置解决了传统的电磁感应发电机的波浪能能量收集设备一般体积大、重量沉的问题，通过纳米摩擦生电利用震动的机械能转化为电能，并通过霍尔传感器和单片机对电流进行检测和处理，最后用蓝牙实现无线传输的方式来第一时间进行地震的预警。

技术方案如下：

一种基于摩擦发电的地震测试装置，包括：纳米摩擦发电装置、霍尔传感器、单片机，所述纳米摩擦发电装置分别与所述霍尔传感器、单片机连接，所述霍尔传感器与所述单片机连接；所述纳米摩擦发电装置包括：亚克力板A、发电层、亚克力板B，所述亚克力板A和亚克力板B之间设置有若干个发电层，所述发电层包括乙基纤维素层和铝箔纸层，所述乙基纤维素层和铝箔纸层可分离式连接。

进一步的，还包括立方体盒、螺旋式弹簧、质量块，所述亚克力板B与所述立方体盒下表面连接，所述亚克力板A与所述质量块连接，所述质量块通过所述螺旋式弹簧与所述立方体盒上表面连接。

进一步的，所述纳米摩擦发电装置经由电源转换电路分别与所述单片机和霍尔传感器连接，所述电源转换电路包括整流模块和滤波模块，所述整流模块与所述滤波模块连接；所述整流模块是MB6S，包括四个两两对接的二极管；所述滤波模块包括运算放大器和RC元件，所述运算放大器为LM318。

进一步的，还包括报警器，所述报警器通过蓝牙与所述单片机连接。

进一步的，所述铝箔纸层和压克力板之间使用Kapton胶进行连接。

进一步的，所述乙基纤维素层的制备方法如下：

S1、制备掺杂碳纳米管的静电纺丝溶液；

S2、利用静电纺丝法制备乙基纤维素载药纤维。

进一步的，

步骤S1具体步骤如下：

首先取1mg的碳纳米管加入20mL乙醇，超声1-2h，配成含有碳纳米管的乙醇溶液，抽取上述配置好的溶液1mL，取1g乙基纤维素，将5.5mL六氟异丙醇加入其中，在室温条件下，用磁力搅拌器搅拌24h以上，配成黏度适中的均匀混合溶液；

步骤S2具体步骤如下：

在室温条件下，将上述配制好的溶液装入10mL的注射器中，将注射器的针头与高压发生器的正极相连接，覆有铝箔纸的接收装置与高压发生器的负极相连接，针头到铝箔之间的距离为15cm，设置溶液流速为0.3mL/h，所施加电压为13kV，在机器运转后，会在针头处看到漂着的丝状物，最终在铝箔上会形成纤维膜；将制成的纤维膜放在真空干燥箱中干燥，除去残留溶剂。

本发明的有益效果是：

本发明所述的基于摩擦发电的地震测试装置经过摩擦产生电能使外接的电流感应器感应并且将信号传出，其采用的是摩擦发电的垂直接触-分离模式，核心装置要求安装紧密，作为一种检测装置的结构，可以利用摩擦产生的电能作为地震灾难的预测，能快速知道地震灾难的到来。并且设计的新装置结构轻巧便捷，解决了传统的电磁感应发电机的波浪能能量收集设备一般体积大、重量沉的问题。利用纳米摩擦发电，采用摩擦式这种机械能收集形式来收集电量，结构新颖、设备结构简单，具有精准的定位功能，成本低，设计的新装置结构轻巧便捷。

本发明根据地震的特点，通过纳米摩擦生电利用震动的机械能转化为电能，并通过霍尔传感器和单片机对电流进行检测和处理，最后用蓝牙实现无线传输的方式来第一时间传达地震的到来。这样快速的测量振动的方法，可以在地震发生的第一时间让大家做出反应，来保证生命财产安全。本发明基于摩擦发电的地震测试装置工作原理简单，可以大面积使用，大到城市地震监管部门，小到每一个家庭。本发明可以在二十四小时全天工作，而且是自供电装置，只要地震发生，通过摩擦发电产生电流，传感器采集电信号并对电流进行检测和处理，最后通过单片机触发报警装置进行蓝牙的无线传输。本发明无论在实际应用上还是学术研究中都很有价值。

附图说明

图1是本发明纳米摩擦发电装置示意图；

图2是本发明地震测试装置示意图；

图3是本发明整体结构框图；

图4是本发明摩擦层制备工艺流程图；

图5是本发明AD转换电路示意图；

图6本发明不同频率下电流、电压和电荷量的图。

具体实施方式

下面结合附图1-6对基于摩擦发电的地震测试装置做进一步说明。

实施例1

一种用于纳米摩擦发电的地震测试装置，包括纳米摩擦发电装置、霍尔传感器、单片机、蓝牙模块。地震测试装置在地震发生时由于地面晃动使得其部件之间摩擦产生电荷，电流被导线导出并且提供给霍尔传感器，通过整流滤波电路和霍尔传感器对电流进行收集与处理，然后传入至单片机进行内部数据处理，通过单片机触发报警装置检测电流的大小，蓝牙模块进行无线传输，将地震的信号传达出来。

进一步的，所述纳米摩擦发电装置是一种摩擦纳米发电机，该发电机是垂直接触-分离模式，以最简单的设计为例来介绍摩擦发电的这个模式，垂直接触-分离模式图。在这个结构中，两个不同材料的电极材料面对面堆叠，他们各自的被表面镀有金属电极。这两个电极相互接触，会在接触表面形成符号相反的金属电荷。当着两个电极由于外界作用分离时，中间将会形成一个小的空气间隙，在两个电极的表面将形成电势差，如果两个电极通过负载连接起来时，将会形成电流。这样就将机械能转化成电能。

本实施例就是采用发电机的垂直接触-分离模式。整个器件都是以亚克力板作为构建材料。器件的核心发电单元主要是由圆的、面对面的发电极构成，如摩擦纳米发电结构图所示。一个平面是附着在三维螺旋结构的底面，另一个是被固定在立方体面的中心。当地震发生时两个发电极就会被干扰，这时两个发电极间会发生相对位移，基于摩擦纳米发电极的原理外界的地震产生的振动将会产生电信号。其中底部的电极位置不变只有被固定在立方体表面的电极发生上下振动。因为发电极的上表面是与整个结构的上表面通过一个轻质的弹簧连接。两个电极板上的细铜丝连出两条导线，随即连接到霍尔传感器对电流进行整流滤波处理和AD转换后连接至单片机，利用stm32芯片通过蓝牙进行无线信号的传输，这样地震产生的电信号就可以让蓝牙接收的仪器显示，让人们知道地震的到来。

进一步的，当发电极两极安装导线时，不可以直接连接在装置里边，而是两个电极板的外边有连接电极板的细铜丝，因为如果将电线直接连上电极板由于电极板的设置精密，很容易影响到使用效果，也有可能给轻质弹簧带来大的错误。由于装置决定的事物重大，所以在制作装置和安装装置时要十分缜密。

进一步的，将单片机与报警器相连接。单片机检测到电流就会触发报警器并通过蓝牙进行无线传输，使用者就会知道地震的到来。

电路与传输部分

摩擦纳米发电机的处理收集电路：通过地震的震动，弹簧开始带动上方电极材料产生晃动，并与底面的电极材料相互摩擦发生电荷转移，产生电流，但这样产生未经处理的电流是无法是用的，所以需要用整流滤波电路对摩擦产生的电流进行处理，由此获得理想的电流信号。摩擦纳米发电部分装置的整流滤波处理电路如图5所示。因为产生的电流信号非常微小，要经过放大和滤波，本实施例使用的是LM318运算放大器，它与RC元件构成滤波器。由此完成了对电流信号的放大滤波处理。如图5所示，电流信号进入，经过由四个背对的二极管组成的全桥整流电路后，能够将获得的交流信号经过整流之后得到直流信号。选择的是MB6S型号整流桥，包括了四个两两对接的二极管。由此就完成了对电流信号的整流处理。

本发明采用霍尔传感器对电信号进行收集与处理，通过单片机完成整个系统的工作，利用stm32芯片与蓝牙进行信号传输(整体结构如图3所示)，将地震的电信号传送出来。

实施例2

本实施例提供一种基于摩擦发电的地震测试装置，由两个模块组成，A模块是基于TENG的纳米摩擦发电机，主要由电极材料、摩擦层、导线组成，是核心的发电单元如图1所示。B模块是由亚克力板、弹簧、质量块、报警器组成的振动信号发生装置，振动信号发生装置主要由圆锥形的弹簧结构在振动状态下进行拉伸，从而造成摩擦层发出电学信号如图2所示。

下面对两个模块作出详细的说明：

所述A模块核心发电单元，其中的摩擦层制备实验步骤如下(如图4所示)：

首先我们要制作用于摩擦层的乙基纤维素载药纤维。它分为两步：

第一步是掺杂碳纳米管的静电纺丝溶液的制备：

首先取1mg的碳纳米管加入20mL乙醇，超声1-2h，配成含有碳纳米管的乙醇溶液，抽取上述配置好的溶液1mL，取1g乙基纤维素，将5.5mL六氟异丙醇加入其中，在室温条件下，用磁力搅拌器搅拌24h以上，配成黏度适中的均匀混合溶液。

第二步是利用静电纺丝法制备乙基纤维素载药纤维：

将上述配制好的溶液装入10mL的注射器中，将注射器的针头与高压发生器的正极相连接，覆有铝箔纸的接收装置与高压发生器的负极相连接，针头到铝箔之间的距离为15cm，设置溶液流速为0.3mL/h，所施加电压为13kV，一切操作皆在室温下进行。在机器运转后，会在针头处看到漂着的丝状物，最终在铝箔上会形成纤维膜。将制成的纤维膜放在真空干燥箱中干燥，除去残留溶剂，防止潮解。

整个摩擦发电装置的制备组装较为简单，也就意味着投入应用时的成本会比较低。准备两条铜丝，用砂纸将两条铜丝的两端进行打磨，使得铜丝的两端磨变色。

然后准备两个3cm*3cm的亚克力板，kapton双面胶，一定面积的锡纸，将这些材料进行组装。把亚克力板放在kapton双面胶上，双面胶包裹着亚克力板但未完全包裹，留有一定的空隙，将包裹着kapton双面胶的亚克力板放在锡纸上，把锡纸压着双面胶进行覆盖，然后紧紧按压，使锡纸与双面胶进行黏合，黏合之前，将打磨好的铜丝放在锡纸与kapton双面胶之间，把刚才做好的亚克力板再包一层kapton双面胶，使用同等的方式制备另一块亚克力板，但与上一块不同的是，这次只是包裹一面，不进行包裹。

下一步把制备出的乙基纤维素载药纤维放在刚才做好的亚克力板的双面胶上，为了不短路，沿着修剪的时候，要稍微留出来一点。

剪取合适长度的kapton双面胶，将两端进行重叠并且按压粘合，做出一个类似于轮胎样式的椭圆形，将上述过程中制作的两块亚克力板进行上下粘合，覆有乙基纤维素载药纤维的那一面要面朝另一块亚克力板，由此，整个摩擦发电的装置就完成了。

最后为了测试整个装置的发电效果，需要配备一个数字源表，由于是纳米摩擦发电，产生的电量比较低，需要选择原表量程，为微安级别。在电流测试中选取多个采样位置，经过测试，摩擦时确有电流通过。测试的电流电压波形图如图6所示。

振动信号发生装置：利用一个典型的圆锥形弹簧结构，在顶端连接一个质量块，这种设计能对外界的震动有着比较高的灵敏度，整个器件以亚克力板作为构建材料是一个立方体，核心发电单元是由两个椭圆形、面对面的平面所构成。一个附在三维螺旋结构的底面，另外一个是被固定在立方体的中心，圆锥形结构位于立方体正上方，如图3所示。

立方体的高度被精心调制，能够使两个平面在螺旋被拉伸的情况下刚好接触在一起。摩擦层也在一定程度上提高有效接触面积，促进电流产生。当这种圆锥形弹簧结构摩擦发电机受到外界的震动干扰时，弹簧会不断地进行拉伸，两个平面的电极材料通过摩擦层不断进行接触，由此，外界的机械碰触就会转换成电学信号。

电流传入霍尔传感器进行收集和处理，并检测电流的大小，连接至单片机进行内部数据处理并通过蓝牙进行无线传输，将电流的大小等信息传送出来，告诉使用者有震动的存在。而通过对电学信号的进一步采集，分析电流的大小，这样我们就会知道震动的等级。外界震动会使两个平行电级之间来回振动，此时所获得的电学信号大小刚好与外界振动的幅值呈正比关系。

由相关文献得知，当基于这种摩擦发电螺旋式测量振动的结构装置，在它的共振频率附近振动时，振幅低于1.5mm，器件的开路电压和短路电流的输出峰值都与振动幅度的大小成正比。当振幅超过1.5mm时，共振器平面开始于两个平行电极有物理接触，这个结果会使得电学信号饱和。因此，当外界有震源在装置的共振频率点或者附近时，该装置会对外界的振动做出反应，有着较高的灵敏度。

本发明基于纳米摩擦发电的地震测试装置是一种垂直接触—分离模式，有物理固定的电极，因此有固定的电极电容。由于这种独立层的模式，基于摩擦发电的地震测试装置就可以有效地进行对外界振动振幅的自供电式测量。

发电方法如下：螺旋式弹簧结构在外界有振动的情况下进行拉伸，两个电极平面进行接触从而生出电流。它利用了摩擦起电的效应(是一种由接触引起的带电效应)，即在一种材料与另一种材料发生摩擦的过程，它就会带上电荷。本次模式采用垂直接触—分离模式，它的操作原理可以归结为接触起电和静电效应的耦合作用。在开始的状态下，没有电荷产生，两电极之间也没有电势差。当有外加位移的情况下，两个高分子表面相互接触。由于摩擦起电效应，两种材料的接触部分就会发生电荷转移。

由所述的垂直分离接触模式的摩擦发电装置产生的电流将机械的振动就转换成了电学信号，基于摩擦发电地震测试装置在外界有震动的的情况下，螺旋式弹簧进行位移拉伸，电极材料平面相互接触产生电流，通过电流的大小判断震动大小，接触的频率测量振幅，在有电流产生的状态下，通过霍尔传感器对电流进行收集和处理和单片机触发报警器进行蓝牙无线传输电信号，告知我们周围有振源。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于摩擦发电的地震测试装置，其特征在于，包括：纳米摩擦发电装置、霍尔传感器、单片机，所述纳米摩擦发电装置分别与所述霍尔传感器、单片机连接，所述霍尔传感器与所述单片机连接；所述纳米摩擦发电装置包括：亚克力板A、发电层、亚克力板B，所述亚克力板A和亚克力板B之间设置有若干个发电层，所述发电层包括乙基纤维素层和铝箔纸层，所述乙基纤维素层和铝箔纸层可分离式连接。

2.如权利要求1所述的基于摩擦发电的地震测试装置，其特征在于，还包括立方体盒、螺旋式弹簧、质量块，所述亚克力板B与所述立方体盒下表面连接，所述亚克力板A与所述质量块连接，所述质量块通过所述螺旋式弹簧与所述立方体盒上表面连接。

3.如权利要求1所述的基于摩擦发电的地震测试装置，其特征在于，所述纳米摩擦发电装置经由电源转换电路分别与所述单片机和霍尔传感器连接，所述电源转换电路包括整流模块和滤波模块，所述整流模块与所述滤波模块连接；所述整流模块是MB6S，包括四个两两对接的二极管；所述滤波模块包括运算放大器和RC元件，所述运算放大器为LM318。

4.如权利要求1所述的基于摩擦发电的地震测试装置，其特征在于，还包括报警器，所述报警器通过蓝牙与所述单片机连接。

5.如权利要求1所述的基于摩擦发电的地震测试装置，其特征在于，所述铝箔纸层和压克力板之间使用Kapton胶进行连接。

6.如权利要求1所述的基于摩擦发电的地震测试装置，其特征在于，所述乙基纤维素层的制备方法如下：

S1、制备掺杂碳纳米管的静电纺丝溶液；

S2、利用静电纺丝法制备乙基纤维素载药纤维。

7.如权利要求6所述的基于摩擦发电的地震测试装置，其特征在于，

步骤S1具体步骤如下：

首先取1mg的碳纳米管加入20mL乙醇，超声1-2h，配成含有碳纳米管的乙醇溶液，抽取上述配置好的溶液1mL，取1g乙基纤维素，将5.5mL六氟异丙醇加入其中，在室温条件下，用磁力搅拌器搅拌24h以上，配成黏度适中的均匀混合溶液；

步骤S2具体步骤如下：

在室温条件下，将上述配制好的溶液装入10mL的注射器中，将注射器的针头与高压发生器的正极相连接，覆有铝箔纸的接收装置与高压发生器的负极相连接，针头到铝箔之间的距离为15cm，设置溶液流速为0.3mL/h，所施加电压为13kV，在机器运转后，会在针头处看到漂着的丝状物，最终在铝箔上会形成纤维膜；将制成的纤维膜放在真空干燥箱中干燥，除去残留溶剂。