CN110971139A - 自供能无线通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自供能无线通信装置，该自供能无线通信装置包括：用于收集机械能并将机械能转换成电能的发电模块；与发电模块电连接的管理模块，管理模块用于降低发电模块的匹配阻抗并转化和/或存储电能；与管理模块电连接的稳压模块，稳压模块用于将来自管理模块的电能进行稳压处理；与稳压模块电连接并且由稳压模块供电的无线信号发射模块，无线信号发射模块用于发射监测信号；以及与无线信号发射模块通信连接的无线信号接收模块，无线信号接收模块用于接收监测信号。

Description

自供能无线通信装置

技术领域

本发明涉及能量技术领域，尤其涉及一种自供能无线通信装置。

背景技术

在现代生活中，信息传递起到了越来越关键的作用，某些时候，如果信息传递不够及时，可能会造成无法弥补的损失。例如，作为交通系统的组成部分，桥梁在人类文明的发展和演化中起到了重要作用。随着现代科技的发展以及运输需求的不断增长，大型桥梁(如跨海大桥、大跨度桥梁等)越来越多的出现在人们的视野中，这些桥梁造价几亿甚至几十亿元，在交通、军事和社会生活等方面有着重要的战略意义。然而，桥梁在建造和使用过程中，由于受到环境和人为因素的影响，以及材料自身性能的不断退化，导致结构各部分会产生不同程度的损伤。这些损伤如果不能及时得到检测和维修会造成严重的后果。因此有效的监测措施必不可少。传统的桥梁检测在很大程度上依赖于人工，缺乏科学系统的方法，往往对桥梁特别是大型桥梁的状况缺乏全面的把握和了解，信息得不到及时反馈。再比如，随着物联网技术的发展，大量的低功耗传感器被设置在世界的各个角落，为这些分布广泛的传感器持续、稳定地供能是物联网技术发展急需解决的关键问题。然而，与这些低功耗传感器相匹配的电源供能系统的研究却相对滞后。

比如为如上所述的用于桥梁监测的监测系统或物联网领域所采用的低功耗传感器的无线通信装置目前主要由电网电源供电和化学电池供电。其中，电网电源直接供电的方式存在电磁干扰严重、系统布线复杂等问题，且只能在电网覆盖的地域实行；而化学电池供电方式则存在使用寿命有限、需要定期更换以及环境污染等不足，且部分场合的封装是不可逆的，故适用范围有限。

因此，需要研发出一种用于无线传感器通信网络节点供能的自供能或自驱动的微能源装备，以解决传统供能、检测技术所存在的诸多弊端。

发明内容

为了克服上述问题的至少一个方面，本发明实施例提供一种可以将风能和振动能等机械能转换成电能从而为自身供能的无线通信装置，其通过收集环境中的机械能来给自身持续供能，避免了传统无线通信装置不能及时更换电池导致无线通信装置失效进而导致桥梁发生危险的问题，实现了自主的、自驱动的桥梁状态监测。

根据本发明的一个方面，提供一种自供能无线通信装置，该无线通信装置包括：用于收集机械能并将机械能转换成电能的发电模块；与发电模块电连接的管理模块，管理模块用于降低发电模块的匹配阻抗并转化和/或存储电能；与管理模块电连接的稳压模块，稳压模块用于将来自管理模块的电能进行稳压处理；与稳压模块电连接的无线信号发射模块，无线信号发射模块用于发射监测信号；以及与无线信号发射模块通信连接的无线信号接收模块，无线信号接收模块用于接收监测信号。

根据本发明的自供能无线通信装置的一些实施例，发电模块包括：用于将风能转化为电能的第一摩擦纳米发电机组件；或用于将振动能转化为电能的第二摩擦纳米发电机组件。

根据本发明的自供能无线通信装置的一些实施例，第一摩擦纳米发电机组件包括转子部件和定子部件，转子部件设置在定子部件内并且能够相对定子部件转动。

根据本发明的自供能无线通信装置的一些实施例，转子部件包括转轴、设置在转轴的端部上的多个叶片、围绕转轴均匀地设置的多个侧板以及设置在侧板的远离转轴的端部上的摩擦层。

根据本发明的自供能无线通信装置的一些实施例，转子部件还包括设置在转轴上用于将侧板固定在转轴上的支撑板。

根据本发明的自供能无线通信装置的一些实施例，转子部件还包括设置在转轴的端部上的顶盖，顶盖用于将叶片固定至转轴。

根据本发明的自供能无线通信装置的一些实施例，定子部件包括外壳和设置在外壳的内表面上的多个第一电极，多个第一电极与摩擦层摩擦地接触。

根据本发明的自供能无线通信装置的一些实施例，所述定子部件还包括设置在外壳的两端的端盖，在端盖的中心处设置有用于旋转地支撑转子部件的轴承。

根据本发明的自供能无线通信装置的一些实施例，摩擦层通过第一薄膜设置在侧板的端部，第一薄膜能够使摩擦层与第一电极弹性地接触。

根据本发明的自供能无线通信装置的一些实施例，第二摩擦纳米发电机组件包括：支撑薄膜，其折叠形成尺寸基本相同并且彼此叠置的多个薄膜单元，每两个相邻的薄膜单元组成薄膜单元组，每个薄膜单元组均包括相对布置的第一薄膜单元和第二薄膜单元；第二电极，其设置在第一薄膜单元的背对第二薄膜单元的表面上；第二薄膜，其设置在第一薄膜单元的与第二薄膜单元相对的表面上；以及第三电极，其设置在第二薄膜单元的与第一薄膜单元相对的表面上，使得第三电极与第二薄膜相对地设置。。

根据本发明的自供能无线通信装置的一些实施例，第二摩擦纳米发电机组件还包括质量块，质量块设置在叠置的多个薄膜单元的一侧。

与现有技术相比，本发明至少具有如下优点之一：

(1)能够将机械能转换成电能，实现能量的自主提供；

(2)能够减少电池的使用；

(3)能够实现对桥梁的持续监测。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1是根据本发明实施例的自供能无线通信装置的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的自供能无线通信装置的第一摩擦纳米发电机组件的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的自供能无线通信装置的转子部件的结构示意图；

图4是根据本发明实施例的自供能无线通信装置的定子部件的结构示意图；

图5是根据本发明实施例的自供能无线通信装置的第一摩擦纳米发电机组件的剖视图；

图6是根据本发明实施例的自供能无线通信装置的第一摩擦纳米发电机组件的电荷转移原理图；

图7是根据本发明实施例的自供能无线通信装置的第二摩擦纳米发电机组件的结构示意图；

图8是根据本发明实施例的自供能无线通信装置的第二摩擦纳米发电机组件的电荷转移原理图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本发明提供一种能够将机械能转换成电能的无线通信装置，可以自主从环境中收集机械能，并转换为电能，通过管理模块和稳压模块的存储和转化，能最大化的将能量应用于无线信号发射模块，使得无线通信装置可以在环境机械能的驱动下持续正常的工作。

下面结合附图对本发明实施例作进一步的说明。

图1是根据本发明实施例的自供能无线通信装置的结构示意图。如图1所示，自供能无线通信装置包括：用于收集机械能并将机械能转换成电能的发电模块1；与发电模块1电连接的管理模块2，管理模块2用于降低发电模块的匹配阻抗并转化和/或存储电能；与管理模块2电连接的稳压模块3，稳压模块3用于将来自管理模块2的电能进行稳压处理；与稳压模块3电连接并且由稳压模块3供电的无线信号发射模块4，无线信号发射模块4用于发射监测信号；以及与无线信号发射模块4通信连接的无线信号接收模块5，无线信号接收模块5用于接收监测信号，在实际运用中，可以将无线信号接收模块5设置在便于人员观察的区域。对电能进行稳压处理是为了将电能转化成无线信号发射模块4可以使用的类型。收集的机械能可以是环境中产生的，例如风能，也可以是人为产生的，例如振动能。

发电模块1包括：用于将风能转化为电能的第一摩擦纳米发电机组件11；或者用于将振动能转化为电能的第二摩擦纳米发电机组件12。第一摩擦纳米发电机组件11在风力的作用下发生转动，将风能转换为电能。在风速不小于2m/s，持续时间不低于2s时，第一摩擦纳米发电机组件11产生的电能经过稳压模块3后便可稳定为无线信号发射模块4的工作电压，例如可以是2.6V，可以对各种风速进行实时监测。第二摩擦纳米发电机组件12在振动作用下将振动能转换成电能。在振动频率不小于5Hz，振动时间不低于2s时，第二摩擦纳米发电机组件12产生的电压经过稳压模块3后便可稳定在无线信号发射模块4的工作电压，实现对振动情况的监测，并且适合于对各种桥梁进行振动监测，如木桥、钢桥、石桥等。

图2是根据本发明实施例的自供能无线通信装置的第一摩擦纳米发电机组件的结构示意图。如图2所示，第一摩擦纳米发电机组件11包括转子部件100和定子部件200，转子部件100设置在定子部件200内，并且转子部件100能够相对定子部件200转动。

图3是根据本发明实施例的自供能的无线通信装置的转子部件的结构示意图。如图3所示，转子部件100包括：转轴101；设置在转轴101的端部上的多个叶片103，优选的，多个叶片103均匀分布；围绕转轴101均匀地设置的多个侧板105；以及设置在侧板105的远离转轴101的端部上的摩擦层107。根据某些优选的实施例，转子部件100还包括设置在转轴101上用于将侧板105固定在转轴101上的支撑板104，以及设置在转轴101的端部上的顶盖102，顶盖用于将叶片103固定至转轴101。转轴101与顶盖102可以螺纹连接，支撑板104和转轴101可以过盈配合连接，在本实施例中，支撑板104上设置4个侧板105，在其他的实施例中，侧板的数量也可以是3个、5个、6个甚至更多。侧板105和支撑板104粘接。当风作用在叶片103上，可以使得顶盖102带动转轴101旋转，进而带动支撑板104和侧板105转动。

图4是根据本发明实施例的自供能无线通信装置的定子部件200的结构示意图。如图4所示，定子部件200包括：外壳201；设置在外壳201的内表面上的多个第一电极204，多个第一电极204与摩擦层107摩擦地接触。根据某些优选的实施例，定子部件200还包括设置在外壳201的两端的端盖202；以及在端盖202的中心处设置有用于旋转地支撑转子部件100的轴承203，轴承203与端盖202过盈配合。外壳201和端盖202通过螺纹连接，第一电极204可以是金属，在本实施例中第一电极204为铜。

图5是根据本发明实施例的自供能无线通信装置的第一摩擦纳米发电机组件的剖视图。如图5所示，摩擦层107通过第一薄膜106设置在侧板105的端部，第一薄膜106能够使摩擦层107与第一电极204弹性地接触。第一薄膜106和侧板105可以通过双面胶粘接，摩擦层107和第一薄膜106可以通过双面胶粘接，当然，也可以采用本领域已知的其他连接方式。第一薄膜106用于保证摩擦层107和第一电极204之间的紧密接触，在本实施例中，第一薄膜106为75μm厚的聚对苯二甲酸乙二酯薄膜。摩擦层107的径向外表面面向第一电极204的径向内表面或外壳201的内表面。在此需要说明的是，某个部件的径向外表面和径向内表面分别是指该部件的沿径向方向位于更远离圆心的位置和更靠近圆心的位置的表面。在风力的作用下，转子组件100相对于定子组件200发生转动，使摩擦层107的径向外表面与第一电极204的径向内表面产生相对滑动，在摩擦层107和第一电极204的相互摩擦的表面上产生摩擦电荷，从而在第一电极204之间产生电信号输出，实现风能到电能的转化。

图6是根据本发明实施例的自供能无线通信装置的第一摩擦纳米发电机组件的电荷转移原理图。摩擦层107和第一电极204的材料存在摩擦电负性差异，在风力的作用下使转子组件100相对于定子组件200发生相对转动的同时，带动摩擦层107和第一电极204之间发生相对滑动产生表面摩擦电荷，在第一电极204之间产生电子流动形成电流。如图A所示，在相对滑动的初始位置，摩擦层107和第一电极204左半部分完全重叠，由于摩擦层107和第一电极204的材料存在电负性差异，电子会由第一电极204转移到摩擦层107，从而分别在摩擦层107和第一电极204的上表面最大化的产生等量的相反的负电荷和正电荷。此时由于摩擦层107和第一电极204左半部分处于静电平衡状态，在第一电极204左半部分和右半部分之间没有电子流动。如图B所示，随着转子组件100在风力的作用下持续转动，摩擦层107在侧板105的带动下向右运动，摩擦层107和第一电极204的左半部分的重叠面积开始减小，同时，摩擦层107和第一电极204的右半部分的重叠面积开始增大，在摩擦层107和第一电极204左半部分之间产生感应电势差，为了缩小摩擦层107和第一电极204左半部分之间的电势差，一部分电子在静电场的作用下由第一电极204右半部分通过外电路流向第一电极204左半部分，在外电路形成电流。这种电能产生的过程一直持续到摩擦层107运动到和第一电极204右半部分完全重叠的位置，如图C所示，此时第一电极204左半部分上的正电荷被电子完全中和。由于具有多个第一电极204，从C步骤到下一个A步骤的过程中，摩擦层107的旋转会导致电子反向流动。由此可见，第一摩擦纳米发电机组件11可将环境中的风能转化为电能。

图7是根据本发明实施例的自供能的无线通信装置的第二摩擦纳米发电机组件的结构示意图。如图7所示，第二摩擦纳米发电机组件12包括：支撑薄膜304，支撑薄膜304折叠形成尺寸基本相同并且彼此叠置的多个薄膜单元，每两个相邻的薄膜单元组成薄膜单元组，每个薄膜单元组均包括相对布置的第一薄膜单元和第二薄膜单元；第二电极302，其设置在第一薄膜单元的背对第二薄膜单元的表面上；第二薄膜305，其设置在第一薄膜单元的与第二薄膜单元相对的表面上；以及第三电极303，其设置在第二薄膜单元的与第一薄膜单元相对的表面上，使得第三电极303与第二薄膜305相对地设置。根据优选的实施例，第二摩擦纳米发电机组件12还包括质量块301，质量块301设置在叠置的多个薄膜单元的一侧。在某些实施例中，第二摩擦纳米发电机组件12还包括封装盒306。

支撑薄膜304折叠形成多个弯曲部，支撑薄膜304折叠后的形状如图7所示，以中间的弯曲部为例，在每个弯曲部的内部形成一个摩擦纳米发电机组件。在弯曲部内的第一薄膜单元的上表面上设置第二薄膜305，在第一薄膜单元的下表面上设置第二电极302；在弯曲部内的第二薄膜单元的下表面上设置第三电极303，使得第三电极303和第二薄膜305面对面地上下正对布置。为了节省成本，最顶端的薄膜单元的上表面可以不设置电极。当然，最底端的薄膜单元的下表面上可能需要设置第二电极302，也可能设置或不设置第三电极303。支撑薄膜304的变形部分可以通过双面胶粘结。当桥梁发生振动时，支撑薄膜304为采用弹性材料的折叠结构，可在质量块301作用下发生压缩和复原，使第三电极303和第二薄膜305摩擦起电。本实施例中，第二电极302、第三电极303和第二薄膜305可以分别使用铜、铝和聚酰亚胺制成。

图8是根据本发明实施例的自供能的无线通信装置的第二摩擦纳米发电机组件的电荷转移原理图。第三电极303和第二薄膜305的材料存在摩擦电负性差异，在桥梁振动的作用下质量块301使置于支撑薄膜304表面的第二薄膜305和第三电极303发生接触分离，由于摩擦电负性差异，第二薄膜305表面产生负电荷，第三电极303表面产生正电荷，在静电感应作用下，电子会在第三电极303和第二电极302之间流动形成电流。如图a所示，在产生电荷的初始位置，第三电极303和第二薄膜305分别最大化的产生了等量的正电荷和负电荷，由于第三电极303和第二薄膜305的材料存在电负性差异，电子会由第二电极302转移到第三电极303，从而在外电路中形成从第三电极303流向第二电极302的电流，如图b所示。如图c所示，电子持续由第二电极302转移到第三电极303。当电子全部从第二电极302转移到第三电极303，此时电子的转移方向会改变，即从第三电极303转移到第二电极302，如图d所示。因此，在一个运动周期内，在外电路产生两次方向相反的电流信号。由此可见，第二摩擦纳米发电机组件12可将环境中的振动能转化为电能。

本发明完全通过收集环境中的机械能供能，实现了自主的、自驱动的无线通信。在风速不低于2m/s，持续时间不低于2s时，或者在振动频率不低于5Hz，振动时间不低于2s时，稳压模块就可将管理模块收集和存储的能量稳定在无线信号发射模块的工作电压，可以实现对桥梁状态的持续监测。

虽然上文以桥梁监测为例对根据本发明的自供能无线通信装置进行了说明，但是本领域技术人员应该理解，本发明公开的系统完全通过风能或者振动供能，可应用于各个领域，避免了传统无线通信装置不能及时更换电池导致无线通信装置失效进而导致发生危险的问题，实现了自主的、自驱动的无线通信。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种自供能无线通信装置，其特征在于，所述自供能无线通信装置包括：

发电模块，用于收集机械能并将所述机械能转换成电能；

管理模块，所述管理模块与所述发电模块电连接，所述管理模块用于降低所述发电模块的匹配阻抗并转化和/或存储所述电能；

稳压模块，所述稳压模块与所述管理模块电连接，所述稳压模块用于将来自所述管理模块的电能进行稳压处理；

无线信号发射模块，所述无线信号发射模块与所述稳压模块电连接并且由所述稳压模块供电，所述无线信号发射模块用于发射监测信号；以及

无线信号接收模块，所述无线信号接收模块与所述无线信号发射模块通信连接，所述无线信号接收模块用于接收监测信号。

2.根据权利要求1所述的自供能无线通信装置，其特征在于，所述发电模块包括：

用于将风能转化为电能的第一摩擦纳米发电机组件；或

用于将振动能转化为电能的第二摩擦纳米发电机组件。

3.根据权利要求2所述的自供能无线通信装置，其特征在于，所述第一摩擦纳米发电机组件包括转子部件和定子部件，所述转子部件设置在所述定子部件内并且能够相对所述定子部件转动。

4.根据权利要求3所述的自供能无线通信装置，其特征在于，所述转子部件包括转轴、设置在所述转轴的端部上的多个叶片、围绕所述转轴均匀地设置的多个侧板以及设置在所述侧板的远离所述转轴的端部上的摩擦层。

5.根据权利要求4所述的自供能无线通信装置，其特征在于，所述转子部件还包括设置在所述转轴上用于将所述侧板固定在所述转轴上的支撑板。

6.根据权利要求4所述的自供能无线通信装置，其特征在于，所述转子部件还包括设置在所述转轴的端部上的顶盖，所述顶盖用于将所述叶片固定至所述转轴。

7.根据权利要求4-6中任一项所述的自供能无线通信装置，其特征在于，所述定子部件包括外壳和设置在所述外壳的内表面上的多个第一电极，所述多个第一电极与所述摩擦层摩擦地接触。

8.根据权利要求7所述的自供能无线通信装置，其特征在于，所述定子部件还包括设置在所述外壳的两端的端盖，在所述端盖的中心处设置有用于旋转地支撑所述转子部件的轴承。

9.根据权利要求8所述的自供能无线通信装置，其特征在于，所述摩擦层通过第一薄膜设置在所述侧板的端部，所述第一薄膜能够使所述摩擦层与所述第一电极弹性地接触。

10.根据权利要求2所述的自供能无线通信装置，其特征在于，所述第二摩擦纳米发电机组件包括：

支撑薄膜，所述支撑薄膜折叠形成尺寸基本相同并且彼此叠置的多个薄膜单元，每两个相邻的薄膜单元组成薄膜单元组，每个薄膜单元组均包括相对布置的第一薄膜单元和第二薄膜单元；

第二电极，所述第二电极设置在所述第一薄膜单元的背对所述第二薄膜单元的表面上；

第二薄膜，所述第二薄膜设置在所述第一薄膜单元的与所述第二薄膜单元相对的表面上；以及

第三电极，所述第三电极设置在所述第二薄膜单元的与所述第一薄膜单元相对的表面上，使得所述第三电极与所述第二薄膜相对地设置。

11.根据权利要求10所述的自供能无线通信装置，其特征在于，所述第二摩擦纳米发电机组件还包括质量块，所述质量块设置在所述叠置的多个薄膜单元的一侧。

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