CN112217265A - 一种自供能环境监测传感器装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种自供能环境监测传感器装置，包括：顶部的温差发电结构、雨量传感器以及底部的风速风向传感结构；温差发电结构包括温差发电片、设置于所述温差发电片上方的、作为所述温差发电片热端的的涂有太阳能吸热涂层的上铜板以及设置在所述温差发电片下方的、作为所述温差发电片冷端的下铜板，所述上铜板的上方还设置有保温腔；风速风向传感结构包括上下相对设置的定子转板和转子转板，所述转子转板下方设置有转动轴，所述转动轴周向设置有若干迎风板，所述转子转板的下表面设置有风速风向检测单元。本发明解决了更换电池过程中产生的诸多弊端，通过温差发电、风能和机械振动产生电能供给外部设备用电，具有结构简单，制作成本低，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及环境监测领域和自供能设备，具体而言，尤其涉及一种自供能环境监测传感器装置。
背景技术
能源对于人类文明发展至关重要。在能源危机日益紧迫的今天，能源的收集越来越被人们所重视。目前的科技发展大大降低了电子器件的能源消耗并且提高了其工作效率，从而使得利用将周围环境中无处不在的机械能转化为电能来驱动电子器件或者构建自驱动传感器件成为了解决电子器件能源供给问题的一个有效而且环保的途径。
20世纪90年代来，微型电子器件的研究取得长足发展。然而，如何为这些微型器件提供合适的电源成为研究人员面临的一个重要问题。通常来说，微型器件的功耗是很低的，目前这类电子设备仍然依赖于可充电电池。但这些器件在应用过程中部署的数量是巨大的，所需电池的数量随着移动电子设备数量和密度的增加而成比例增长。因此，电池的回收再利用就面临诸多挑战，而且废弃的电池对环境也会造成一定的负担。
与此同时一些无人岛礁，偏远山区，矿井周围环境信息能够为海洋感知、遇险救生、灾害预防、等提供信息服务，在自然界中，太阳能、风能、雨能等能量取之不尽用之不竭，如何将这些能源转化为数字信号从而对自然环境的监测是对信息采集的关键。因此，开发能够从周围环境中自行收集能量的电源系统为环境监测传感器具有重要的意义和实用价值。
发明内容
本发明公开了一种自供能环境监测传感器装置。解决了信息采集过程需要因更换电池拆卸连接而导致信息采集中断、电池寿命缩短，成本高等技术问题，同时能够采集一些无人岛礁，偏远地区，矿井等地带的环境信息，为海洋感知、遇险救生、灾害预防等提供信息服务。
本发明采用的技术手段如下：
一种自供能环境监测传感器装置，包括：顶部的温差发电结构、雨量传感器以及底部的风速风向传感结构；其中，
所述温差发电结构包括温差发电片、设置于所述温差发电片上方的、作为所述温差发电片热端的的涂有太阳能吸热涂层的上铜板以及设置在所述温差发电片下方的、作为所述温差发电片冷端的下铜板，所述上铜板的上方还设置有保温腔；
所述雨量传感器设置在所述保温腔的两侧；
所述风速风向传感结构包括上下相对设置的定子转板和转子转板，所述转子转板下方设置有转动轴，所述转动轴周向设置有若干迎风板，所述转子转板的下表面设置有风速风向检测单元。
进一步地，所述风速风向检测单元包括在转子转板的下表面外围均匀设置的四个相互垂直的风速风向传感器。
进一步地，所述定子转板和转子转板之间通过固定柱相互连接，当所述定子转板和转子转板之间产生相对旋转运动时，所述固定柱能够在通刻在所述转子转板上的滑道内运动，从而限制定子转板和转子转板之间的相对旋转运动范围。
进一步地，所述固定柱将所述定子转板和转子转板之间的相对旋转运动范围限制在0°或者45°。
进一步地，所述滑道两个端点位置均设置有用于只是旋转位移的触点，当固定柱运动到端点位置时，相应的触点被触发。
进一步地，所述风速风向传感器为风致振动摩擦纳米发电机，包括基底、铜电极、拍打式薄膜以及均热板，所述均热板作为所述薄膜拍打式风能摩擦纳米发电结构的一端电极，所述铜电极作为所述薄膜拍打式风能摩擦纳米发电结构的另一端电极，所述铜电极负载在所述基底上，所述拍打式薄膜设置在所述铜电极与均热板之间。
进一步地，所述温差发电结构以及雨量传感结器下方，还设置有一个风致振动摩擦纳米发电机。
进一步地，所述雨量传感器包括：防水外壳、设置在所述防水外壳下方的PTFE摩擦层和亚克力基底以及设置在所述PTFE摩擦层和所述亚克力基底之间的一组铝电极。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明在TEG结构的冷端附有均热板，均热板能够加快冷端热量的散失，均热板的两端附有翅片，能够增大均热板的作用，从而增大温差发电片冷热端的温差，从而增大温差发电的效率。
2、本发明底部风速风向传感单元设置有上下两个一个固定一个旋转的圆盘，四个相互垂直的摩擦纳米发电机(TENG)垂直分布在可旋转的圆盘的底端，四个不同方向的TENG可以监测东西南北四个方向的风速与风向，风速的监测是通过两个电极之间薄膜的拍打频率来实现的，风速越大，薄膜振动的频率越快，TENG输出的电压就越高。
综上，应用本发明的技术方案解决了现有技术中更换电池过程中产生的诸多弊端，通过温差发电、风能和机械振动产生电能供给外部设备用电，具有结构简单，制作成本低，实用性强等优点。
基于上述理由本发明可广泛应用于无人岛礁、偏远山区传感网络多个领域。
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为本发明自供能环境监测传感器装置结构示意图。
图2为本发明转子转板俯视图。
图3为本发明雨量传感器结构示意图。
图4为实施例中风速与薄膜拍打频率的关系图。
图5为实施例中风速与TENG开路电压的关系图。
图中：1、上铜板；2、温差发电片；3、下铜板；4、风致振动摩擦纳米发电机；5、定子转板；6、转子转板；7、底座；8、保温腔；9、雨能测量传感器；10、翅片；11、均热板；12、迎风板；13、风向风速传感器；14、转动轴；15、固定柱；16、滑道；17、防水外壳；18、PTFE摩擦层；19、铝电极；20、亚克力基底。
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所示，本发明提供了一种自供能环境监测传感器装置，包括：顶部的温差发电结构、雨量传感器9以及底部的风速风向传感结构；其中，温差发电结构包括温差发电片2、设置于所述温差发电片2上方的、作为温差发电片2热端的的涂有太阳能吸热涂层的上铜板1以及设置在温差发电片2下方的、作为温差发电片2冷端的下铜板3，上铜板1的上方还设置有保温腔8。雨量传感器9设置在所述保温腔8的两侧。风速风向传感结构包括上下相对设置的定子转板5和转子转板6，所述转子转板6下方设置有转动轴14，转动轴14周向设置有若干迎风板12，转子转板6的下表面设置有风速风向检测单元。进一步地，风速风向检测单元包括在转子转板6的下表面外围均匀设置的四个相互垂直的风速风向传感器13。如图2所示，定子转板5和转子转板6之间通过固定柱15相互连接，当所述定子转板5和转子转板6之间产生相对旋转运动时，所述固定柱15能够在通刻在所述转子转板6上的滑道16内运动，从而限制定子转板5和转子转板6之间的相对旋转运动范围。作为本发明较佳的实施方式，优选通过固定柱15将定子转板5和转子转板6之间的相对旋转运动范围限制在0°或者45°。更进一步地，滑道两个端点位置均设置有用于只是旋转位移的触点，当固定柱15运动到端点位置时，相应的触点被触发。
本实施例给出了一种基于TEG和TENG的太阳能与风能多能互补的自供能环境监测传感器装置，由顶部的自供能发电单元与翅片上所述的雨量传感器与所述底部风速风向传感器耦合构成，底部风速风向传感单元设置有上下两个一个固定一个旋转的圆盘，四个相互垂直的摩擦纳米发电机(TENG)垂直分布在可旋转的圆盘的底端，四个不同方向的TENG可以监测东西南北四个方向的风速与风向，风速的监测是通过两个电极之间薄膜的拍打频率来实现的，风速越大，薄膜振动的频率越快，TENG输出的电压就越高，风速与薄膜拍打频率的关系图如图4所示。风速与TENG输出电压的关系图如图5所示。从图中可以看出风速与薄膜拍打频率，TENG输出电压通过线性拟合成线性关系，所以风速可以有TENG的输出电压表征。TENG的输出电信号输入到模数转换器中，进而输出风速数字信号，这样在与电路管理模块相连接的显示屏上显示出风速。
同时，转子圆盘上设有简单的槽轮机构，如图2所示。该机构能够保证旋转圆盘能在0-45度之间转动，当有东南，西南，东北，西北其他四个方向的风吹过时，与旋转圆盘连接为一体的迎风扇在持续的风的作用下带动圆盘旋转45度，此时监测东西南北四个风向风速的TENG分别朝向东南，西南，东北，西北四个方向，进而来监测东南，西南，东北，西北四个方向的风速与风向，当有东西南北四个方向中一个方向的风吹来时，旋转圆盘上的4个TENG又会在迎风扇的作用下恢复到测量东西南北四个方向的风速与风向的位置上。此外，在圆盘由0度旋转到45度的位置上有一个与电源，A/D模数转换器相连接的触点，当旋转到45度时触点接通，电源流通的电信号会输入到模数转换器，该电信号的作用是使输出的数字信号的风向显示由北显示为西北，东显示为东北，西显示为西南，南显示为东南。从而在与电路管理模块相连接的显示屏上显示出风向。
作为一种更佳的实施方式，本实施例中还包含5个风致振动摩擦纳米发电机。其中一个设置在温差发电结构以及雨量传感结器9下方，与温差发电机构共同组成太阳能与风能多能互补的供电单元。TEG结构主要利用太阳能为TEG热端提供热量，TEG冷端通过均热板散热，均热板两端附有翅片，当有风吹过时翅片能够增大均热板对冷端散热的作用。进而增大温差，从而提高了温差发电的效率。薄膜拍打式TENG在风力作用下上下拍打的PTFE薄膜和两个电极接触作为摩擦纳米发电结构产生电压；通过TENG结构与TEG装置互相互补，可同时利用太阳能和风能发电。
进一步地，风致振动摩擦纳米发电机包括基底、铜电极、拍打式薄膜以及均热板，所述均热板作为所述薄膜拍打式风能摩擦纳米发电结构的一端电极，所述铜电极作为所述薄膜拍打式风能摩擦纳米发电结构的另一端电极，所述铜电极负载在所述基底上，所述拍打式薄膜设置在所述铜电极与均热板之间。
进一步地，如图3所示，本实施例中的雨量传感器9包括防水外壳17、设置在所述防水外壳下方的PTFE摩擦层18和亚克力基底20以及设置在所述PTFE摩擦层18和所述亚克力基底20之间的一组铝电极19。
为了节省空间，雨量传感器9设置在所述翅片10上，二者之间设有导流坡(如图1所示)，所述导流坡的上表面与水平面呈角度设置，通常情况下设置10°-30°的缓坡即可，满足雨滴下落后能及时流走。防水外壳17设置在所述PTFE摩擦层18的上方且遮挡住其中一个铝电极19，这样设置需要保证雨滴下落时先接触一侧的铝电极19，然后通过流动再接触另一侧的铝电极19，所述防水外壳17与所述PTFE摩擦层18之间设有用于雨水流过的间隙。
当雨滴下落过程中与空气摩擦会带正电，此时所述雨能摩擦纳米发电机两块铝电极19处于电势平衡状态，无电子流动。当正电雨滴在落到PTFE摩擦层18上后，在其正下方的其中一个铝电极19会感应出负电，另一个外壳下方的铝电极由PTFE感应出正电，使两个铝电极19产生了电势不平衡，电子从负电极转移到正电极，产生一次摩擦电流。
当雨水流动到两个电极上面时，在两个铝电极19上都感应出负电，此时电势平衡，没有电流产生。当水滴流到有遮板的电极上方时，这个电极感应出负电，另一个电极感应出正电，产生电势不平衡，电子从负电极流向正电极，又会产生一次摩擦电流。
当雨水通过倾斜面流出装置时，两个电极又归于平衡，以单雨滴从下落到雨量传感器9产生摩擦电流的次数，既可以表征雨量数据。
雨量传感器9设置多于1个时，根据需要所述导流坡以水平面为基准面，水平多方向设置，满足各方向的雨滴滴落。如图1所示，在两侧的翅片10上各设置一个雨量传感器9，其中导流坡的设置方向不同，两个坡脚分别指向相反的方向，这样设置可以保证在雨水汇聚时，从不同方向快速流走，从而保证整个装置的稳定性。
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 (8)
1.一种自供能环境监测传感器装置，其特征在于，包括：顶部的温差发电结构、雨量传感器(9)以及底部的风速风向传感结构；其中，
所述温差发电结构包括温差发电片(2)、设置于所述温差发电片(2)上方的、作为所述温差发电片(2)热端的的涂有太阳能吸热涂层的上铜板(1)以及设置在所述温差发电片(2)下方的、作为所述温差发电片(2)冷端的下铜板(3)，所述上铜板(1)的上方还设置有保温腔(8)；
所述雨量传感器(9)设置在所述保温腔(8)的两侧；
所述风速风向传感结构包括上下相对设置的定子转板(5)和转子转板(6)，所述转子转板(6)下方设置有转动轴(14)，所述转动轴(14)周向设置有若干迎风板(12)，所述转子转板(6)的下表面设置有风速风向检测单元。
2.根据权利要求1所述的自供能环境监测传感器装置，其特征在于，所述风速风向检测单元包括在转子转板(6)的下表面外围均匀设置的四个相互垂直的风速风向传感器(13)。
3.根据权利要求1所述的自供能环境监测传感器装置，其特征在于，所述定子转板(5)和转子转板(6)之间通过固定柱(15)相互连接，当所述定子转板(5)和转子转板(6)之间产生相对旋转运动时，所述固定柱(15)能够在通刻在所述转子转板(6)上的滑道(16)内运动，从而限制定子转板(5)和转子转板(6)之间的相对旋转运动范围。
4.根据权利要求3所述的自供能环境监测传感器装置，其特征在于，所述固定柱(15)将所述定子转板(5)和转子转板(6)之间的相对旋转运动范围限制在0°或者45°。
5.根据权利要求3所述的自供能环境监测传感器装置，其特征在于，所述滑道两个端点位置均设置有用于只是旋转位移的触点，当固定柱(15)运动到端点位置时，相应的触点被触发。
6.根据权利要求2所述的自供能环境监测传感器装置，其特征在于，所述风速风向传感器为风致振动摩擦纳米发电机，包括基底、铜电极、拍打式薄膜以及均热板，所述均热板作为所述薄膜拍打式风能摩擦纳米发电结构的一端电极，所述铜电极作为所述薄膜拍打式风能摩擦纳米发电结构的另一端电极，所述铜电极负载在所述基底上，所述拍打式薄膜设置在所述铜电极与均热板之间。
7.根据权利要求6所述的自供能环境监测传感器装置，其特征在于，所述温差发电结构以及雨量传感结器(9)下方，还设置有一个风致振动摩擦纳米发电机。
8.根据权利要求1所述的自供能环境监测传感器装置，其特征在于，所述雨量传感器(9)包括：防水外壳(17)、设置在所述防水外壳下方的PTFE摩擦层(18)和亚克力基底(20)以及设置在所述PTFE摩擦层(18)和所述亚克力基底(20)之间的一组铝电极(19)。
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