CN110491093A - 基于纳米摩擦的山体滑坡监测系统 - Google Patents

Abstract

一种基于纳米摩擦的山体滑坡监测系统，属于自然灾害预警技术领域。技术方案：包括：主控制器、霍尔电流传感器、纳米摩擦发电机、信号采集电路，所述主控制器与所述纳米摩擦发电机连接，所述纳米摩擦发电机与所述霍尔电流传感器连接，所述霍尔电流传感器通过所述信号采集电路与所述主控制器连接；所述纳米摩擦发电机包括：亚克力板、铝箔层、乙基纤维素层、弹簧，两块亚克力板之间设置有若干对两两相对的铝箔层和乙基纤维素层，所述铝箔层和乙基纤维素层之间为可分离式连接，所述两块亚克力板之间设置所述弹簧。有益效果是:本发明用于对山体滑坡的监测，有助于及时判断，做出预防措施，通过摩擦产生电能，对整个纳米摩擦发电装置供电。

Description

基于纳米摩擦的山体滑坡监测系统

技术领域

本发明属于自然灾害预警技术领域，尤其涉及一种基于纳米摩擦的山体滑坡监测系统。

背景技术

我国幅员辽阔，地形地貌也较为复杂，包括了山地、高原、平原、盆地等等。不同的区域有着不同的地质结构，在面对地壳运动，人为开发时，不同的地域会表现出不同的反应。因此人们在享受大自然的馈赠时，也会因自己的不当行为面临相应的惩罚。像地震、泥石流、洪水、山体滑坡等等，很多时候，人类在大自然的狂风暴雨面前，显得渺小而无助，及早的察觉并做出相应的处置才是减少人员伤亡和财产损失的关键。

纵然天灾可怕，但人民的聪明智慧总是无穷的，在面对这些天灾的时候，人类并没有选择坐以待毙，而是积极探索，努力寻求改变。在古代，伟大聪明的劳动人民就发明了地动仪，随着科学技术的进步，出现了大量更加精密的仪器设备，我们既然无法改变这些天灾，就尽可能的规避，提前预防，使人民群众的人身安全得到最大的保障，使财产损失降到最小。

据中国气象局的报道，山体滑坡是每年发生最多的自然灾害，特别是在汛期，发生频率极高。山体滑坡几乎没有安全期，且山体滑坡的发生存在不确定性，这也使得测量困难加剧，人类对其预防也是防不胜防。

所谓山体滑坡，就是山体所处地带地质活动活跃，使得山上的碎石不稳，然后在重力作用下开始向斜坡底部滑动，当众多大大小小的落石一起滑动时，就会发生山体滑坡现象，若只是出现在无人久居的山谷或者无人经过的偏僻山路，山体滑坡也就给人们带来不了生命上的威胁，也造不成财产上的损失。但各类事实证明，许多平常稳定的山谷，也会随着时间的推移使得其地质活动状态发生改变，由原来的稳定变得活跃，然后因为种种因素，导致山体滑坡这种自然灾害的发生。而诱发山体滑坡的因素也是很多，主要分为两类：第一类，自然因素。像地震、降雨、冰雪融化等等。地震发生也是由于地壳运动活跃导致的，当地震发生后，相应的地质结构就会发生变化，地壳可能依然保持这一种活跃状态，山体滑坡也就因此产生。冰雪融化其实和降雨原理相同，都是因为水流量的增多，引起了山体碎石的松动。

目前对于山体滑坡的监测主要是采用两种传感器，这两种传感器分别是液位传感器和倾角传感器。由于山体滑坡绝大部分是由雨水侵蚀导致的，所以对于地下水位的监测尤为重要，这也就成为检测过程中一项重要的指标。液位传感器的放置是在山体容易发生危险的区域，在这些区域沿山体走势设置多个孔洞，孔洞底部就是液位传感器。倾角传感器则用来监测山体的运动情况，对于不同的山体，他们的结构组成是不一样的，对于山体整个的层次，受到的侵蚀程度又是不尽相同的，因此也导致了山体运动的速度不同，在不同的深度部署倾角传感器，通过这些倾角传感器就会得到不同的倾角数据，进而根据这些数据就能判断出山体的移动以及活跃情况，当活跃度超过一定范围的时候，就要对此做出防范。

尽管目前生活中应用的监测系统可以对一些山体滑坡做出监测，达到了一定的预防作用，但还是有很多自然灾害发生，给人民的财产和生命产生了威胁。对于目前使用的山体滑坡监测系统，则存在以下几点问题：

第一点是放置问题。对于目前使用的山体滑坡监测系统，由于使用两种传感器，且这两种传感器对于安放位置的选取都存在要求。液位传感器需要放置在孔洞里，那么则需要人为的沿山体走向竖直的挖掘设置孔洞，且对孔洞位置有要求。而倾角传感器则要求放置在不同的深度，人为放置时需要对深度进行勘测，这种种要求导致了实施的困难。且无论是山体移动还是水位上涨，在不同的地方放置的传感器传回的数据也是不一样的，这种情况就影响了判断的准确性。

第二点是成本问题，无论是液位传感器还是倾角传感器，都需要花费不小的成本，且面临的山体较为巨大时，需要勘测位置会随之增加，放置数量也会因勘测位置的增加而增加。在这种情况下，成本就会剧增。而且无论是挖掘放置液位传感器的空洞还是寻找安放倾角传感器的位置，都需要大量的人力物力。以上种种都会增加成本，且还要考虑到后续的维护与修理等工作。

第三点是供电问题。所有设备都需要电能的驱动，在目前使用的山体滑坡监测系统中，有很大一部分采用将光能转换为电能的方式，利用太阳能进行转换，以此达到供电的要求。但是对于不同的方向，感受光照能力是不同，而山体滑坡发生在雨季颇多，对于太阳能的供电会产生影响，导致电量不足的情况发生，因此影响了对于山体滑坡情况的监测，导致了数据难以传回，则不能对此进行准确的分析，影响人们对情况的判断，这也就丧失了预防的意义。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于纳米摩擦的山体滑坡监测系统，该系统用于对山体滑坡的监测，有助于及时判断，做出预防措施。

技术方案如下：

一种基于纳米摩擦的山体滑坡监测系统，包括：主控制器、霍尔电流传感器、纳米摩擦发电机、信号采集电路，所述主控制器与所述纳米摩擦发电机连接，所述纳米摩擦发电机与所述霍尔电流传感器连接，所述霍尔电流传感器通过所述信号采集电路与所述主控制器连接；所述纳米摩擦发电机包括：亚克力板、铝箔层、乙基纤维素层、弹簧，两块亚克力板之间设置有若干对两两相对的铝箔层和乙基纤维素层，所述铝箔层和乙基纤维素层之间为可分离式连接，所述两块亚克力板之间设置所述弹簧。

进一步的，所述主控制器的型号为STM32。

进一步的，所述信号采集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，还包括蓝牙模块，所述蓝牙模块与所述主控制器连接。

进一步的，所述乙基纤维素层包括：六氟异丙醇、乙基纤维素、无水乙醇、碳纳米管纺丝，所述六氟异丙醇、无水乙醇、碳纳米管纺丝的体积比为：11：2：1。

进一步的，所述乙基纤维素层的制备方法步骤如下：

S1、按体积比11：2：1分别准备六氟异丙醇、无水乙醇、碳纳米管纺丝；

S2、将步骤S1中的混合溶液与乙基纤维素进行磁力搅拌，配制纺丝溶液；

S3、在23KV电压下进行静电纺丝；

S4、剪取乙基纤维素层。

本发明的有益效果是：

本发明所述的基于纳米摩擦的山体滑坡监测系统相比于现有技术具有以下有益效果：

1.本申请中制备的纳米摩擦发电机对于放置位置则没有那么多的要求，只需要在山体一个固定的高度，围绕山体的一周依次放置制备的纳米摩擦发电机装置，在有落石滚下来的时候就会砸中相应位置的纳米摩擦发电装备，因此就会产生一个电流信号。依次滚下就可以计算时间，得到一定时间内的频率；

2.本申请中摩擦纳米发电极制备的材料都是极常见的材料，电极材料使用的是铝箔纸，摩擦层材料使用的是用乙基纤维素纺丝制成的薄膜，采用的材料较为廉价，且制造工艺简单，也不用考虑因不断探索安放位置或者安放的位置剧增这些因素而造成的成本。

3.本申请中摩擦纳米发电机是将电能转换为机械能，即当有落石滚下的时候，依次砸中制备好的摩擦纳米发电机，摩擦产生电能，将这些电能收集起来，然后对整个纳米摩擦发电装置供电，不需要再借助于外部电源。

附图说明

图1是本发明摩擦纳米发电机的垂直接触分离模式图；

图2是本发明乙基纤维素层制备工艺流程图；

图3是本发明基于一层的垂直接触分离式摩擦纳米发电机结构示意图；

图4是本发明一层摩擦纳米发电机实例图；

图5是本发明摩擦纳米发电机的信号采集电路图；

图6是本发明山体滑坡监测系统各部分结构图；

图7是本发明软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图1-7对基于纳米摩擦的山体滑坡监测系统做进一步说明。

一、基于垂直接触分离式的一层摩擦纳米发电机结构的设计

在本申请中，监测原理得到了创新，摒弃掉应用两个传感器的测量方法，采用垂直接触分离式原理，给予一侧的电极材料一个压力时，其会与摩擦层发生接触，在接触的表面会形成极性相反的两种电荷，将施加的压力取消时，会使得摩擦层与导电层发生分离，二者之间形成一个空气间隙，在两个电极之间就会产生一个感应电势差。当两电极外接负载时，电子会通过负载由一个电极流行另一个电极，而空气间隙闭合时，摩擦电荷形成的电势差则会消失，电子发生回流。随着压力不断施加与取消，将摩擦产生的电能收集起来，可以提供自驱式供电的电能，摩擦纳米发电机的垂直接触分离模式图如图1所示。

本实施例中的摩擦纳米发电机采用一层结构。在整个结构中，以亚克力板作为支架，对内部材料起到保护和支撑作用，铝箔纸价格便宜导电性能良好，所以选其作为电极材料，在常见的材料当中，乙基纤维素电正性较优，更加容易的失去电子，所以选择用电纺丝制备的乙基纤维素薄膜为导电层材料。

在整个结构中，摩擦层材料得失电子的能力决定了产生电流的大小，所以纳米摩擦发电机中摩擦层材料的选择和制备对释放电量的多少起到了至关重要的作用。乙基纤维素薄膜是由5.5mL六氟异丙醇、1g乙基纤维素、1mL无水乙醇和0.5mL碳纳米管纺丝制成。其中六氟异丙醇作为溶剂，无水乙醇起到了稀释的作用，碳纳米管增强了其导电性。将各种材料混合，用磁力搅拌器搅拌24h就配制好了所需纺丝的溶液，在23kV电压下，会在锡箔纸上出现乙基纤维素薄膜。具体制备工艺流程图如图2所示。

用kapton胶将两块亚克力板进行包裹，然后再包裹一层铝箔纸，值得注意的是，一块亚克力板是被完全包裹，另一块亚克力板的一侧要留出1厘米左右的空隙。将静电纺丝制备好的乙基纤维素薄膜附着在留有空隙的亚克力板表面，将两块亚克力板支撑固定起来，做成基于垂直接触分离模式的一层摩擦纳米发电机。

基于垂直接触分离式的一层摩擦纳米发电机结构示意图如图3所示。

在图3示意图的基础上做出了一层摩擦纳米发电机实例。考虑到摩擦纳米发电机做的是压下、弹起的往复运动，所以选择用弹簧在亚克力板的四角支撑，当有落石滚下且击中摩擦纳米发电机时，亚克力板受到一定的压力，弹簧发生形变，向下运动，使得电极材料与的摩擦层材料发生接触，在接触表面形成电性相反的电荷。在落石离开亚克力板的时候，这个压力就会消失，弹簧形变恢复，两极板间产生空气空隙，产生电势差。连接正负极，形成摩擦电流。实例图如图4所示。

二、摩擦纳米发电机的处理收集电路

由于纳米摩擦结构随着落石滚下上下做往复运动，所产生的摩擦电是低频的交流电，又因不同体积的落石滚下对地面造成的压力不同，从而压电材料所收到的压力也不同，产生的电能幅值会有较大差别，且对于微系统和电容而言，电能的应用都是需要直流电，所以需要将交流电整流为直流电，这样才能应用于单片机和电容上。由于摩擦纳米发电机自身内阻较大，因此很难与电路阻抗匹配，收集到的电能效率低，会造成很大一部分的能量损耗。这是研究纳米摩擦发电机的难点之一，为了最大化收集能量，设计了全桥整流和低频滤波对摩擦电进行整流收集。

虚线框1内的部分滤波电路。对采集到的电流信号进行滤波处理。

虚线框2内的部分为整流电路。电流信号进入，先经过全桥整流电路，把获得的交流信号整流成直流信号。整流桥选择的是MB6S，包括四个两两对接的二极管，输入的电流信号为正半波时，两只二极管就会导通，输出正半部分；当输入的电流信号为负半波时，另外两只二极管就会导通，但因为是反接，所以输出信号还是正半部分。经过上述过程之后，就完成了对电流信号的整流滤波处理。

摩擦纳米发电机的信号采集电路如图5所示。

三、山体滑坡监测系统工作电路

霍尔电流传感器可以用来采集电流信号信息，然后将采集到的数据经过AD转换送到单片机，在单片机内部进行数据处理；在整个系统中，由单片机控制所有的工作，利用STM32芯片与手机蓝牙实现无线传输，并将从数据中检测出的电流信号信息送到手机进行数字显示。在没有落石滚下不需要供电监测的时候，则整个系统就处于休眠状态，不需要电能的供给。山体滑坡监测系统各部分结构如图6所示。

落石滚下使得摩擦纳米发电机受力工作，当山体滑坡即将发生的时候，山体松动，会有大大小小的落石滚下，落石给予摩擦纳米发电机的压力频率会提高，测得的电流信号周期内也会增加，根据手机电流信号显示，即可以做出预判，对山体滑坡有所规避，减少人员伤亡与财产损失。其中主控制器采用STM32，根据山体滑坡等级划分，当测得两电流间隔频率小于1.2S时，说明落石滚动频繁，存在山体滑坡的可能性。STM32软件流程图如图7所示。

但是为了防止其他意外情况的发生，还需要给整个监测系统配备一个备用电池，当出现供电不足的情况时，可以得到缓解，保证了对于电流信号的检测，防止了检测结果的丢失，最终达到对山体滑坡情况的监控。在这套检测体系下，对人民群众的人身安全和财产安全起到了保障作用。

相较于目前使用的较多的山体滑坡监测系统，本申请对上述提出的几点问题进行了改进，这也是本申请相较于其他监测系统的优点所在。主要围绕以下几点展开，对此做出说明：

1.摩擦纳米发电机放置问题。在现有的山体滑坡监测系统中，主要是两种传感器起的主要作用，即液位传感器和倾角传感器。这两种传感器对于放置位置有着较高的要求，不是随意放置即可。而本申请中制备的纳米摩擦发电机对于放置位置则没有那么多的要求，只需要在山体一个固定的高度，围绕山体的一周依次放置制备的纳米摩擦发电机装置，在有落石滚下来的时候就会砸中相应位置的纳米摩擦发电装备，因此就会产生一个电流信号。依次滚下就可以计算时间，得到一定时间内的频率。

2.摩擦纳米发电机成本问题。目前应用的液位传感器与倾角传感器制造成本高，因对放置位置存在较高要求，需要时间勘测以及大量人工，时间成本和人力成本会较高。而本申请中摩擦纳米发电极制备的材料都是极常见的材料，电极材料使用的是铝箔纸，摩擦层材料使用的是用乙基纤维素纺丝制成的薄膜，采用的材料较为廉价，且制造工艺简单，也不用考虑因不断探索安放位置或者安放的位置剧增这些因素而造成的成本。

3.摩擦纳米发电机的供电问题。对于目前使用的山体滑坡监测系统，大多采用将太阳能转换为电能的方式，通过这种方式最终实现对整个系统供电。但是这种供电方式存在较多的问题，要考虑到诱发山体滑坡发生的因素，大多数山体滑坡是由雨水侵蚀造成的，所以山体滑坡多发生在汛期，即天气情况多为阴雨，在这种条件下，对于阳光的采集就会效果很差，在光照不充足的情况下，采集不到足够的光能，那么就不能转换为足够的电能。当山体体积变大，需要监测的范围变广的时候，投入的传感器数量也会相应的增多，那么需要的电能也会变多，这种情况下，监测效果就会变差，监测到的数据无法传回。但本申请就完全避免了这个问题，摩擦纳米发电机是将电能转换为机械能，即当有落石滚下的时候，依次砸中制备好的摩擦纳米发电机，摩擦产生电能，将这些电能收集起来，然后对整个纳米摩擦发电装置供电，不需要再借助于外部电源。

通过上述描述，可以看出本申请相较于其他检测系统的强项所在，通过种种措施，使得整个申请的监测系统得到完善，测试的效果也变得更优。

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 (6)

1.一种基于纳米摩擦的山体滑坡监测系统，其特征在于，包括：主控制器、霍尔电流传感器、纳米摩擦发电机、信号采集电路，所述主控制器与所述纳米摩擦发电机连接，所述纳米摩擦发电机与所述霍尔电流传感器连接，所述霍尔电流传感器通过所述信号采集电路与所述主控制器连接；所述纳米摩擦发电机包括：亚克力板、铝箔层、乙基纤维素层、弹簧，两块亚克力板之间设置有若干对两两相对的铝箔层和乙基纤维素层，所述铝箔层和乙基纤维素层之间为可分离式连接，所述两块亚克力板之间设置所述弹簧。

2.如权利要求1所述的基于纳米摩擦的山体滑坡监测系统，其特征在于，所述主控制器的型号为STM32。

3.如权利要求1所述的基于纳米摩擦的山体滑坡监测系统，其特征在于，所述信号采集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所述的基于纳米摩擦的山体滑坡监测系统，其特征在于，还包括蓝牙模块，所述蓝牙模块与所述主控制器连接。

5.如权利要求1所述的基于纳米摩擦的山体滑坡监测系统，其特征在于，所述乙基纤维素层包括：六氟异丙醇、乙基纤维素、无水乙醇、碳纳米管纺丝，所述六氟异丙醇、无水乙醇、碳纳米管纺丝的体积比为：11：2：1。

6.如权利要求1所述的基于纳米摩擦的山体滑坡监测系统，其特征在于，所述乙基纤维素层的制备方法步骤如下：

S1、按体积比11：2：1分别准备六氟异丙醇、无水乙醇、碳纳米管纺丝；

S2、将步骤S1中的混合溶液与乙基纤维素进行磁力搅拌，配制纺丝溶液；

S3、在23KV电压下进行静电纺丝；

S4、剪取乙基纤维素层。