CN113037136A - 硅纳米线水伏电池、水位监测器和自驱动水位监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅纳米线水伏电池、水位监测器和自驱动水位监测装置，包括水伏电池，其竖直设置在水中，所述水伏电池能够产生电能，当水位变化时，所述水伏电池产生的电信号变化；储能模块，其与所述水伏电池电性连接，所述储能模块储存所述水伏电池产生的电能；数据处理模块，其与所述水伏电池连接，所述数据处理模块接收所述水伏电池的电信号，并根据电信号的大小来判断水位的变化，输出水位信息；显示模块，其与数据处理模块连接以显示水位信息。其实现小功率自驱动，同时实时输出水位信号，结构紧凑。

Description

硅纳米线水伏电池、水位监测器和自驱动水位监测装置

技术领域

本发明涉及水位监测技术领域，具体涉及一种硅纳米线水伏电池、水位监测器和自驱动水位监测装置。

背景技术

水位监测与生产生活密切相关，各类储水器件的水量剩余关系到生活的便捷程度。工厂生产中水循环系统、水箱的水量关乎生产安全和可持续性；河流、库区水位监测可以帮助掌握各流域、城镇河流水位的变化情况；健全水资源管理体系，及时预警洪涝灾害，关系到人们的生命财产安全。

为了监测水位、水量的变化，众多传感监测机制被应用到了生产生活中，大致可分为非接触式和接触式。其中非接触式传感机制或通过卫星监测河流流域，根据流域面积变化进行大规模监测，或通过图像识别技术对水位标尺进行拍摄识别，提取图像数据，或是通过向水面发射超声波，收集反射波判断深度。而接触式传感机制则通过传感器在水中因水位水压变化或者湿度变化而产生的电学特性变化，输出相应的信号。

现有的传感方式中，都需要安装供能模块。供能模块有传统的化学电池，即在整个监测系统中安装化学电池(通常是蓄电池)，由蓄电池驱动传感器实时或间断性工作，为集成的电路、信号发射模块提供电力，此类化学电池在有水的环境下使用时会增加短路风险，且受制于其容量，需要人工定期更换。在传感器数量巨大时，需要频繁更换电池，会产生大量废旧电池，在工作和后续处理过程中存在电池漏液、污染环境的可能。也有直接通过电线连接进行供能的传感系统，此类传感系统会受到电网分布的影响，便捷性、机动性大幅下降，难以在偏僻地区安装。此外，电线暴露在环境中，会增加破损漏电的风险，出现危险情况，维护成本也随之上升，当存在大量传感器时，电力传输的能源损耗也不可忽视。虽然有使用太阳能电池板作为电力来源的传感器，这类供能方式清洁环保，受基础电网建设影响较小，但是长期在室外环境工作其表面会受到尘土等污染，影响使用寿命和工作效率，并且在夜间阴雨情况下难以持续供能，设备工作稳定性受到影响，需要外加较大的储能电池元件。

另一方面，从传感方式上来看，使用非接触式传感机制的卫星图像尽管能够监测较大的范围，但是精度很低，难以测量水位变化。而通过图像识别技术来进行比测分析，流程如图1所示，其缺点在于摄像模块实时传输会增加成本与能耗，并且需要高可靠性的识别程序来进行监测，一旦水尺出现磨损、遮挡，环境光照不佳，传感系统就会难以识别。

图2给出了另一类非接触式传感方式超声波探测器的工作流程，首先需要人工测定其安装点到地面的高度，然后由温度传感器测定环境温度，提供特定温度下的声速，根据入射波发出到反射波被接收的时间差，测定安装点到水面的距离，进而获得水面到地面的距离。这种方式需要两个传感器，易受到准确性较低的传感器性能限制和外界环境干扰，并且生产成本会升高；此外，其监控实效性与超声波发射时间间隔有关，需要在监控频次和能耗之间做出优化平衡。

对于接触式传感机制，以电容式传感器为例，图3给出了电容式水位探测器的工作方式，两金属板为电极，中间为空气和水的介电层，由水位变化改变介电常数，进而引起电容大小的改变，输出不同信号。这种模式需要外加电压才能进行工作，并且金属电极容易发生锈蚀，影响使用寿命。而对于测量水压的传感器，它的核心部件是压阻电桥，在水压作用下产生电势，输出水压情况，但其在压力下产生电势变化较小，需要灵敏的放大电路。

综上所述，目前的水位监测系统，其前端构成都需要探测模块、供能模块、数据发送处理模块，其应用场景不同程度上受到电源限制，且传感性能不同程度受外界影响，难以突破地理位置和使用条件的限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种硅纳米线水伏电池、水位监测器和自驱动水位监测装置，其实现小功率自驱动，同时实时输出水位信号，结构紧凑。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种硅纳米线水伏电池，包括依次紧贴设置的惰性电极、硅纳米线层、块体硅和金属电极；

其中，所述惰性电极为多孔惰性电极，所述硅纳米线层位于块体硅上。

本发明公开了一种硅纳米线水伏电池的制备方法，包括以下步骤：

S1、使用酸溶液去除硅片表面氧化层，在硅片的背面贴设防水胶；

S2、通过溶液法在硅片的正面上镀银颗粒，获得镀有银颗粒的硅片；

S3、通过金属辅助化学蚀刻法将镀有银颗粒的硅片浸没在氢氟酸和过氧化氢溶液中，使得硅片表面生成硅纳米线，并除去银颗粒和防水胶，获得具有硅纳米线的硅片；

S4、在具有硅纳米线的硅片两侧分别设置多孔惰性电极和金属电极，其中，所述惰性电极位于硅片的正面，所述金属电极位于硅片的背面。

本发明公开了硅纳米线水伏电池在水位监测领域的应用。

本发明公开了一种水位监测器，包括：

水伏电池，其竖直设置在水中，所述水伏电池能够产生电能，当水位变化时，所述水伏电池产生的电信号变化；

储能模块，其与所述水伏电池电性连接，所述储能模块储存所述水伏电池产生的电能；

数据处理模块，其与所述水伏电池连接，所述数据处理模块接收所述水伏电池的电信号，并根据电信号的大小来判断水位的变化，输出水位信息；

显示模块，其与数据处理模块连接以显示水位信息。

作为优选的，本发明还包括反馈模块和控制模块，所述反馈模块与所述数据处理模块连接，所述反馈模块接收所述数据处理模块的水位信息，并将水位信息传输至控制模块，所述控制模块根据水位信息增减水量。

本发明公开了一种带有水位监测器的花盆，包括：

内盆，所述内盆内栽有花卉，所述内盆的底部设置有吸水的棉绳；

外盆，其位于内盆的外部，所述外盆内设置有储水腔，所述棉绳的下端部位于储水腔内；

水伏电池，所述水伏电池竖直设置在储水腔内，当所述储水腔内的水位变化时，所述水伏电池输出变化的电信号；

储能模块，所述储能模块与所述水伏电池连接以储存水伏电池产生的电能；

数据处理模块，其与所述水伏电池连接，所述数据处理模块接收所述水伏电池的电信号，并根据电信号的大小来判断水位的变化，输出水位信息；

显示模块，所述显示模块与数据处理模块和储能模块连接，所述储能模块为所述显示模块供电，所述显示模块显示数据处理模块输出的水位信息。

作为优选的，所述储能模块包括电容。

作为优选的，所述显示模块包括驱动源与旋转件，所述旋转件位于外盆的外侧，所述旋转件上设置有正常、缺水和水量过多的标识，所述驱动源驱动所述旋转件转动以显示当前外盆内的水量状态。

本发明公开了一种自驱动水位监测装置，包括：

安装座，所述安装座竖直设置；

多块水伏电池，其设置在安装座的侧面，多块所述水伏电池沿竖直方向等间距排布；

数据处理模块，其预存不同水位时每块水伏电池输出的参考电信号，所述数据处理模块与多块水伏电池连接以接收所述水伏电池的实际电信号输出，判断实际电信号输出变化所对应的水伏电池，对水位进行粗定位，之后，将实际电信号与参考电信号比对，对水位进行精确定位以获取真实水位；

显示模块，其与数据处理模块连接以显示真实水位信息；

储能模块，其与所述水伏电池连接以储存水伏电池产生的电能，所述储能模块为所述数据处理模块和显示模块供电。

作为优选的，还包括封装壳，多块所述水伏电池位于封装壳内，所述封装壳的外壁上贯穿开设有多个孔体。

本发明的有益效果：

1、本发明中的硅纳米线水伏电池可以将水在其表面蒸发时吸收的热能转化为电能，在有湿气流动时也能产生输出，因此该器件可以部署在存在水源或者是水汽流动的任何地域，受地域影响小。

2、由于蒸发与湿气流动全天候可以发生，因此水伏电池可以实时产生能量并输入电容存储，以此能量驱动信号发射，由于该系统能产生实时信号，因此并不需要大型的储能结构，结构紧凑。

3、硅纳米线水伏电池在水浸没面积变化时有着不同的电学输出特性，因此将硅纳米线水伏器件竖直安放在水面附近，可以监测水面变化，根据其输出信号特异性，构建微型控制电路，实现水位信号的实时监测。

4、本发明利用不同水位下水伏器件的信号输出差异作为传感机制，进行实时监测。

5、本发明将硅纳米线作为供能器件，实现小功率自驱动，同时实时输出水位信号。

附图说明

图1为背景技术中基于图像识别的水位监测系统的示意图；

图2为背景技术中基于超声波的水位监测系统的示意图；

图3为背景技术中基于电容器的水位探测器示意图；

图4为硅纳米线水伏电池的结构示意图；

图5为硅纳米线水伏电池的工作原理示意图；

图6为硅纳米线水伏电池的制备方法的流程示意图；

图7为水伏电池在不同工作环境的工作示意图，其中，图7(a)展示了水伏电池处于高水位的状态；图7(b)展示了水伏电池处于中等水位的状态，图 7(c)展示了水伏电池处于低水位的状态；

图8为水伏电池在水位变化时的电压特性曲线；

图9为水伏电池在水位变化时的电流特性曲线；

图10为水位监测器的模块示意图；

图11为带有水位监测器的花盆的结构示意图；

图12为显示模块的结构示意图；

图13为自驱动水位监测装置的结构示意图。

图中标号说明：10、水伏电池；20、外盆；21、注水口；22、棉绳；30、内盆；40、显示模块；50、基座；51、安装座；60、防水保护套；70、封装壳。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例一

参照图4所示，本发明的公开了一种硅纳米线水伏电池，包括依次紧贴设置的惰性电极、硅纳米线层、块体硅和金属电极。其中，惰性电极为多孔惰性电极，硅纳米线层位于块体硅上。

参照图5所示，为硅纳米线水伏电池的工作原理示意图。图中所示为两根硅纳米线及其中间区域的放大示意图，在固液接触表面形成双电层区域，靠近硅纳米线区域带负电，水溶液带有正电，在水蒸发过程中流动，导致了电荷的积累，并在硅基底上形成感应电荷，最终出现了电势差，水伏电池以此电势差发电。

实施例二

参照图6所示，本发明中，硅纳米线水伏电池的制备方法包括以下步骤：

步骤一、使用酸溶液去除硅片表面氧化层，在硅片的背面贴设防水胶；

步骤二、通过溶液法在硅片的正面上镀银颗粒，获得镀有银颗粒的硅片；

步骤三、通过金属辅助化学蚀刻法将镀有银颗粒的硅片浸没在氢氟酸和过氧化氢溶液中，使得硅片表面生成硅纳米线，并除去银颗粒和防水胶，获得具有硅纳米线的硅片；

步骤四、在具有硅纳米线的硅片两侧分别设置多孔惰性电极和金属电极，其中，惰性电极位于硅片的正面，金属电极位于硅片的背面。

参照图7所示，为水伏电池在不同工作环境的工作示意图。图7(a)展示了水伏电池处于高水位的状态；图7(b)展示了水伏电池处于中等水位的状态，图7(c)展示了水伏电池处于低水位的状态。

参照图8所示，为水伏电池在水位变化时的电压特性曲线。图8展示了水位变化的两个循环过程，其中高水位时其电压输出较大，随着水位降低，电压输出降低。参照图9所示，为水伏电池在水位变化时的电流特性曲线，在高水位时电流较大，在水位降低时，电流减小。

实施例三

参照图10所示，本发明公开了一种水位监测器，包括水伏电池、储能模块、数据处理模块和显示模块。

水伏电池竖直设置在水中，水伏电池能够产生电能，当水位变化时，水伏电池产生的电信号变化。

储能模块与水伏电池电性连接，储能模块储存水伏电池产生的电能。

数据处理模块与水伏电池连接，数据处理模块接收水伏电池的电信号，并根据电信号的大小来判断水位的变化，输出水位信息。

显示模块与数据处理模块连接以显示水位信息。储能模块可为数据处理模块和数据处理模块供电。

具体的，本发明中的水位监测器还可包括反馈模块和控制模块，反馈模块与数据处理模块连接，反馈模块接收数据处理模块的水位信息，并将水位信息传输至控制模块，控制模块根据水位信息增减水量。

实施例四

参照图11所示。本发明公开了一种带有水位监测器的花盆，包括内盆30、外盆20、水伏电池10、储能模块、数据处理模块和显示模块40。

在内盆30内栽有花卉，内盆30的底部设置有吸水的棉绳22。

外盆20位于内盆30的外部，外盆20内设置有储水腔，棉绳22的下端部位于储水腔内。在外盆20上设置有注水口21，通过注水口21可向储水腔中添水。

水伏电池10竖直设置在储水腔内，当储水腔内的水位变化时，水伏电池 10输出变化的电信号。

储能模块与水伏电池10连接以储存水伏电池10产生的电能。储能模块可为电容。

数据处理模块与水伏电池10连接，数据处理模块接收水伏电池10的电信号，并根据电信号的大小来判断水位的变化，输出水位信息。

显示模块40与数据处理模块和储能模块连接，储能模块为显示模块40供电，显示模块40显示数据处理模块输出的水位信息。

显示模块40包括驱动源与旋转件，旋转件位于外盆20的外侧，旋转件上设置有正常、缺水和水量过多的标识，驱动源驱动旋转件转动以显示当前外盆 20内的水量状态。参照图12所示为显示模块40的结构示意图。驱动源可为电机。而旋转件可为三棱柱，三棱柱的三个侧面上分别为红色、绿色和黑色。红色外表水位过低，绿色代表水位正常，黑色代表水位过高。

本发明中的花盆的工作模式可分为三个阶段，第一阶段为水伏电池10大部分浸没在水中，此时水伏电池10有较高的输出，持续为电路中的电容充电，颜色指示标为绿色。

随着水位的下降，水伏电池10的电流电压输出逐渐减少，工作进入第二阶段，当该值下降到预先设定的下阈值时，产生一个电信号，该信号输入至电路模块，作为启动信号，当电容电量足够时向外发送信号，该信号可接入至智能家居，在智能家居客户端提示缺水，同时驱动微型电机旋转，使红色面向外，提醒用户浇水，水伏电池10继续给电容充电，此阶段一直持续到花盆中水完全干涸。

第三阶段为注水阶段，当水从注水口21流入时，随着水位升高输出增大，给电路模块发送信号，电路模块发送信号至智能家居，更新花盆状态，同时驱动电机，使绿色面向外。此外，当水位过高时，水伏电池10输出达到预先设定的上阈值，此时给电路模块发送信号，驱动微型电机，使三棱柱黑色面向外，并发送水位过高信号。

实施例五

参照图13所示，本发明公开了一种自驱动水位监测装置，包括安装座51、多块水伏电池10、数据处理模块、显示模块40和储能模块。

本发明可设置基座50，安装座51设置在基座50上。安装座51竖直设置。

多块水伏电池10设置在安装座51的侧面，多块水伏电池10沿竖直方向等间距排布。

数据处理模块预存不同水位时每块水伏电池10输出的参考电信号，数据处理模块与多块水伏电池10连接以接收水伏电池10的实际电信号输出，判断实际电信号输出变化所对应的水伏电池10，对水位进行粗定位，之后，将实际电信号与参考电信号比对，对水位进行精确定位以获取真实水位。

显示模块40与数据处理模块连接以显示真实水位信息。

储能模块与水伏电池10连接以储存水伏电池10产生的电能，储能模块为数据处理模块和显示模块40供电。

本发明还包括封装壳70，多块水伏电池10位于封装壳70内，封装壳70 的外壁上贯穿开设有多个孔体。水从孔体进入封装壳70内，封装壳70可以过滤掉水中大的杂质。还可设置防水保护套60，防水保护套60可以对数据处理模块进行保护。对传感供能一体化的硅纳米结构硅纳米线水伏电池进行电极、导线的封装，对传感系统整体进行封装，可以减少水中漂浮物对其影响和损伤。

具体的，基座50与安装座51下部相连接。水伏电池10固定在安装座51 上，实际使用时可依据使用需求在安装座51的单位长度上纵向集成多块水伏电池10，并对每块水伏电池10进行编号，各编号的水伏电池10所在的高度，以及同一块水伏电池10在不同水位的输出信号需提前输入数据处理模块。本发明中，自驱动水位监测装置的水位测量精度可通过安装座51的单位长度上集成的水伏电池10的数量进行合理调控。电路板可固定在安装座51的背部。防水保护套60罩在电路板上，电路板上可设置储能模块和数据处理模块。整个检测装置的外部使用封装壳70进行封装。

安装时，利用基座50将整个装置沉入水底，同时利用外部装置对整个监测装置进行固定，进而完成安装。

工作时，封装壳70可过滤树叶等漂浮物，水流通过封装壳70上的小孔进入装置内部，使装置的内外水位一致。此时整个装置内部的水伏电池10共有以下三种情况：

1、全部位于液面以下的水伏电池10，完全浸没在水中，输出电流信号较大，并可持续为储能模块中的电容充电。

2、一部分位于液面以上、另一部分位于液面以下的水伏电池10，不同水位下输出电流信号具有特异性。

3、全部位于液面以上的水伏电池10，完全暴露在空气中，输出电流较小。

当储能模块中的电容电量足够时，整个装置通过电路模块向数据处理模块发送不同编号的水伏电池10的实时电输出信号。数据处理模块对所有数据进行分析处理：首先分析出现显著的输出信号变化的临界处的水伏电池10的编号，确定水位的大致位置；接着将该水伏电池10的输出信号与数据处理模块的数据库内的数据进行比对，确定水位的具体数值；最后通过显示模块40输出实时水位数据，完成水位的监测过程。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种硅纳米线水伏电池，其特征在于，包括依次紧贴设置的惰性电极、硅纳米线层、块体硅和金属电极；

其中，所述惰性电极为多孔惰性电极，所述硅纳米线层位于块体硅上。

2.一种硅纳米线水伏电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、使用酸溶液去除硅片表面氧化层，在硅片的背面贴设防水胶；

S2、通过溶液法在硅片的正面上镀银颗粒，获得镀有银颗粒的硅片；

S3、通过金属辅助化学蚀刻法将镀有银颗粒的硅片浸没在氢氟酸和过氧化氢溶液中，使得硅片表面生成硅纳米线，并除去银颗粒和防水胶，获得具有硅纳米线的硅片；

S4、在具有硅纳米线的硅片两侧分别设置多孔惰性电极和金属电极，其中，所述惰性电极位于硅片的正面，所述金属电极位于硅片的背面。

3.一种硅纳米线水伏电池在水位监测领域的应用，其特征在于，基于权利要求1所述的硅纳米线水伏电池。

4.一种水位监测器，其特征在于，包括：

水伏电池，其竖直设置在水中，所述水伏电池能够产生电能，当水位变化时，所述水伏电池产生的电信号变化；

储能模块，其与所述水伏电池电性连接，所述储能模块储存所述水伏电池产生的电能；

数据处理模块，其与所述水伏电池连接，所述数据处理模块接收所述水伏电池的电信号，并根据电信号的大小来判断水位的变化，输出水位信息；

显示模块，其与数据处理模块连接以显示水位信息。

5.如权利要求4所述的水位监测器，其特征在于，还包括反馈模块和控制模块，所述反馈模块与所述数据处理模块连接，所述反馈模块接收所述数据处理模块的水位信息，并将水位信息传输至控制模块，所述控制模块根据水位信息增减水量。

6.一种带有水位监测器的花盆，其特征在于，包括：

内盆，所述内盆内栽有花卉，所述内盆的底部设置有吸水的棉绳；

外盆，其位于内盆的外部，所述外盆内设置有储水腔，所述棉绳的下端部位于储水腔内；

水伏电池，所述水伏电池竖直设置在储水腔内，当所述储水腔内的水位变化时，所述水伏电池输出变化的电信号；

储能模块，所述储能模块与所述水伏电池连接以储存水伏电池产生的电能；

数据处理模块，其与所述水伏电池连接，所述数据处理模块接收所述水伏电池的电信号，并根据电信号的大小来判断水位的变化，输出水位信息；

显示模块，所述显示模块与数据处理模块和储能模块连接，所述储能模块为所述显示模块供电，所述显示模块显示数据处理模块输出的水位信息。

7.如权利要求6所述的带有水位监测器的花盆，其特征在于，所述储能模块包括电容。

8.如权利要求6所述的带有水位监测器的花盆，其特征在于，所述显示模块包括驱动源与旋转件，所述旋转件位于外盆的外侧，所述旋转件上设置有正常、缺水和水量过多的标识，所述驱动源驱动所述旋转件转动以显示当前外盆内的水量状态。

9.一种自驱动水位监测装置，其特征在于，包括：

安装座，所述安装座竖直设置；

多块水伏电池，其设置在安装座的侧面，多块所述水伏电池沿竖直方向等间距排布；

数据处理模块，其预存不同水位时每块水伏电池输出的参考电信号，所述数据处理模块与多块水伏电池连接以接收所述水伏电池的实际电信号输出，判断实际电信号输出变化所对应的水伏电池，对水位进行粗定位，之后，将实际电信号与参考电信号比对，对水位进行精确定位以获取真实水位；

显示模块，其与数据处理模块连接以显示真实水位信息；

储能模块，其与所述水伏电池连接以储存水伏电池产生的电能，所述储能模块为所述数据处理模块和显示模块供电。

10.如权利要求9所述的自驱动水位监测装置，其特征在于，还包括封装壳，多块所述水伏电池位于封装壳内，所述封装壳的外壁上贯穿开设有多个孔体。

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