CN112165272A - 一种旋转式直流摩擦纳米发电机及流速传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种旋转式直流摩擦纳米发电机及流速传感器装置。其中，旋转式直流摩擦纳米发电机包括外壳和转子，所述外壳内表面附着有静电击穿电极，所述转子外表面附着有PTFE膜，所述外壳与转子间过渡配合，使静电击穿电极与PTFE膜接触；所述转子在外壳内部转动，使外壳的内表面与转子的外表面之间产生相对运动，使得所述静电击穿电极与PTFE膜相互摩擦。本发明通过摩擦纳米发电机将流体的动能转换成电信号，根据电信号的大小来表征流体的流速，从而达到对流体流速的判断。

Description

一种旋转式直流摩擦纳米发电机及流速传感器装置

技术领域

本发明涉及摩擦纳米发电机领域，具体而言，尤其涉及一种旋转式直流摩擦纳米发电机及流速传感器装置。

背景技术

科学技术使人类社会步入了信息时代，现代信息产业的三大技术支柱(传感技术、通信技术、计算机技术)分别构成了信息系统的“感官”、“神经”和“大脑”。传感器的作用是信息的采集系统和数据交换系统的重要部件，也是自动控制系统获得控制信息的重要环节，在很大程度上，传感器决定了信息系统的功能。随着电子技术的发展，传感器技术已经发生了质的变化，从单一的物性型到更多功能、更高质量、更高精度、集成、智能和微型化方向发展。其应用领域也在不断的扩大，而现代科学技术和生产发展对传感器提出了越来越多的要求，同时也为传感器的开发提供了丰富的研究手段和技术条件。

流体与人类的生产生活息息相关，大到环绕的空气、运动中的海洋，小到江河湖泊、电力工业、工业用油与人体血液；流速是流体的重要参数，把握流体的流速信息是把握流体的基础。

摩擦纳米发电机作为近几年发现的一种新的发电装置，其从环境中收集能量，并将其转化为电能来驱动器件，以构建自供电系统。如何将其与流量检测装置整合使用，是一个尚待研究的实际问题。

发明内容

本发明提供一种旋转式直流摩擦纳米发电机及应用上述摩擦纳米发电机的自供能流速传感器装置。旋转式直流摩擦纳米发电机由转子与定子之间摩擦产生的电荷转移和累计，当累计到静电击穿临界值时会发生静电击穿从而产生直流电。

本发明采用的技术手段如下：

一种旋转式直流摩擦纳米发电机，包括外壳和转子，所述外壳内表面附着有静电击穿电极，所述转子外表面附着有PTFE膜，所述外壳与转子间过渡配合，使静电击穿电极与PTFE膜接触；

所述转子在外壳内部转动，使外壳的内表面与转子的外表面之间产生相对运动，使得所述静电击穿电极与PTFE膜相互摩擦。

进一步地，所述定子为圆筒结构，其内表面周向设置有摩擦电极，所述摩擦电极的两个边缘处分别设置有第一静电击穿电极和第二静电击穿电极。

进一步地，所述转子包括叶轮，所述叶轮具有固定部和叶片，所述固定部中心位置设置有转动轴，所述PTFE膜周向附着于叶轮各叶片外围。

进一步地，还包括储能结构，用于存储外壳与转子相对运动所产生的电能。

一种流速传感器装置，包括流体测速腔、涡轮、传动轴电路管路系统以及上述的旋转式直流摩擦纳米发电机；

设置于所述流体测速腔内的涡轮具有传动轴，所述传动轴与旋转式直流摩擦纳米发电机的转子连接，当流体流经涡轮时，推动所述涡轮旋转，进而带动所述转子旋转，从而产生电流，根据所述电流的大小判断流速。

进一步地，所述涡轮的扇面安装角度与流体流动方向垂直。

进一步地，所述流体测速腔的腔壁装有轴承，所述传动轴与轴承过盈配合。

进一步地，所述流体测速腔腔壁与轴承之间设有密封圈。

进一步地，还包括用于显示流速测试结果的数字显示屏。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的旋转式直流摩擦纳米发电机的转子与定子外壳摩擦会发生电荷积累，当达到静电击穿的临界值时会发生静电击穿产生直流电，转子转速越高，具有的动能越大，直流摩擦纳米发电机产生的电能越大。因此可以通过对电能的检测评价动能的大小。

2、本发明提供的流速传感器装置，使用时当流体在流体测速腔流过时会带动旋转叶片的转动，旋转叶片的转动会带动直流摩擦纳米发电机转子的转动，与定子外壳内壁的摩擦电极接触，从而产生直流电。根据电信号的大小来表征流体的流速，从而达到对流体流速的判断。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明直流摩擦纳米发电机机构示意图。

图2为本发明直流摩擦纳米发电机外壳结构示意图。

图3为本发明直流摩擦纳米发电机转子结构示意图。

图4为本发明直流摩擦纳米发电机转子叶片结构示意图。

图5为本发明流速传感器装置结构示意图。

图中：1、外壳；101、摩擦电极；102、第一静电击穿电极；103、第二静电击穿电极；2、转子；201、PTFE膜；202、叶片；203、固定部；100、数字显示屏；200、流体测速腔；300、直流摩擦纳米发电机；400、涡轮；500、底座。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1-4所示，本发明提供了一种旋转式直流摩擦纳米发电机，包括外壳1和转子2，所述外壳1内表面附着有静电击穿电极101，所述转子外表面附着有PTFE膜201，所述外壳1与转子2间过渡配合，使静电击穿电极101与PTFE膜接触201；所述转子2在外壳1内部转动，使外壳1的内表面与转子2的外表面之间产生相对运动，使得所述静电击穿电极101与聚四氟乙烯薄膜(PTFE)膜201相互摩擦。转子2与定子外壳1之间摩擦会有电荷转移和累计，当累计到静电击穿临界值时会发生静电击穿从而产生直流电。

如图2所示，外壳1为圆筒结构，其内表面周向设置有摩擦电极101，所述摩擦电极的两个边缘处分别设置有第一静电击穿电极102和第二静电击穿电极103。

具体来说，定子外壳上的PTFE薄膜与摩擦电极摩擦，产生电荷累计，摩擦电极积累正电荷，PTFE薄膜积累负电荷，当摩擦电极上的电荷累计到静电击穿临界值时，第一静电击穿电极102和第二静电击穿电极103会发出瞬时电流。在本过程中电子的流向为摩擦电极失电子，留在PTFE薄膜上，当累计一定程度时，静电击穿电极与PTFE之间的空气会被电离，产生电离通道，电子通过电离通道流向静电击穿电极，流至静电击穿电极后通过外部电路，回到摩擦电极，从而形成一个循环过程。

如图3所示，转子包括叶轮，所述叶轮具有固定部203和叶片202，所述固定部中心位置设置有转动轴，所述PTFE膜周向附着于叶轮各叶片202外围。具体来说，旋转式直流摩擦纳米发电机的转子部分，外部附有一层PTFE薄膜11，与定子外壳的摩擦电极摩擦会产生电荷累积。

进一步地，还包括储能结构，用于存储外壳与转子相对运动所产生的电能。

如图5所示，一种流速传感器装置，包括数字显示屏100、流体测速腔200、旋转式直流摩擦纳米发电机300、涡轮400以及底座500。其中，数字显示屏100用于显示流体的流速，流体流经流体测速腔200，会带动涡轮400旋转，涡轮与旋转式摩擦纳米发电机300同轴，涡轮400的旋转会带动旋转式直流摩擦纳米发电机300旋转，旋转式直流摩擦纳米发电机300，与流体测速腔体固定在底座500上，底座500内部为储能单元与电路管理单元。

设置于所述流体测速腔内200的涡轮400具有传动轴，所述传动轴与旋转式直流摩擦纳米发电机300的转子连接，当流体流经涡400轮时，推动所述涡轮400旋转，进而带动所述转子旋转，从而产生电流，根据所述电流的大小判断流速。进一步地，所述涡轮的扇面安装角度与流体流动方向垂直。流体测速腔的腔壁装有轴承，所述传动轴与轴承过盈配合，且流体测速腔腔壁与轴承之间设有密封圈。

旋转式直流摩擦纳米发电机的转子与定子外壳过度配合，转子的外壁的材料的聚四氟乙烯薄膜(PTFE)，定子外壳的内壁装有摩擦电极，两个静电击穿电极，一个静电击穿电极用于输出电信号，输出的电信号输入到电路管理单元输出数字信号，也就是流速的大小，另一个静电击穿电极与储能单元相连接，达到传感器能够自供能的目的。旋转式直流摩擦纳米发电机的转子与旋转叶片通过转轴相连接达到能够同步旋转，旋转叶片安装在流体测速腔内，旋转叶片上的转轴与流体测速腔的腔壁上的轴承过盈配合连接，转轴与流体测速腔的内壁之间装有密封圈，当流体在流体测速腔流过时会带动旋转叶片的转动，旋转叶片的转动会带动旋转式直流摩擦纳米发电机转子的转动，旋转式直流摩擦纳米发电机转子的转动会与旋转式直流摩擦纳米发电机的定子外壳内壁的摩擦电极接触，从而产生直流电。产生的直流电一部分输入到电路管理单元输出数字信号，从而得到流速的大小，流速的大小会在显示屏上显示。另一部分直流电会输入到储能电路，从而达到传感器自供能的目的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (9)

1.一种旋转式直流摩擦纳米发电机，其特征在于，包括外壳(1)和转子(2)，所述外壳(1)内表面附着有静电击穿电极，所述转子(2)外表面附着有PTFE膜(201)，所述外壳(1)与转子(2)间过渡配合，使静电击穿电极与PTFE膜接触(201)；

所述转子(2)在外壳(1)内部转动，使外壳(1)的内表面与转子(2)的外表面之间产生相对运动，使得所述静电击穿电极与PTFE膜相(201)互摩擦。

2.根据权利要求1所述的旋转式直流摩擦纳米发电机，其特征在于，所述外壳(1)为圆筒结构，其内表面周向设置有摩擦电极(101)，所述摩擦电极(101)的两个边缘处分别设置有第一静电击穿电极(102)和第二静电击穿电极(103)。

3.根据权利要求1所述的旋转式直流摩擦纳米发电机，其特征在于，所述转子(2)包括叶轮，所述叶轮具有固定部和叶片(202)，所述固定部中心位置设置有转动轴，所述PTFE膜(201)周向附着于叶轮各叶片外围。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的旋转式直流摩擦纳米发电机，其特征在于，还包括储能结构，用于存储外壳(1)与转子(2)相对运动所产生的电能。

5.一种流速传感器装置，其特征在于，包括流体测速腔(200)、涡轮(400)、传动轴电路管路系统以及权利要求1中所述的旋转式直流摩擦纳米发电机(300)；

设置于所述流体测速腔内的涡轮(400)具有传动轴，所述传动轴与旋转式直流摩擦纳米发电机(300)的转子(2)连接，当流体流经涡轮(400)时，推动所述涡轮(400)旋转，进而带动所述转子(2)旋转，从而产生电流，根据所述电流的大小判断流速。

6.根据权利要求5所述的流速传感器装置，其特征在于，所述涡轮(400)的扇面安装角度与流体流动方向垂直。

7.根据权利要求5所述的流速传感器装置，其特征在于，所述流体测速腔的腔壁装有轴承，所述传动轴与轴承过盈配合。

8.根据权利要求7所述的流速传感器装置，其特征在于，所述流体测速腔腔壁与轴承之间设有密封圈。

9.根据权利要求5所述的流速传感器装置，其特征在于，还包括用于显示流速测试结果的数字显示屏(100)。

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