CN113061363B - 划线漆、单电极摩擦纳米发电机与触碰检测系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及自动检测领域，公开一种划线漆、单电极摩擦纳米发电机与触碰检测系统。该划线漆包括油漆涂料和导电材料。利用该划线漆形成边界线后，可得到具有导电材料的边界线，当球体或人体触碰该边界线，与该边界线发生接触‑分离过程中，会在该边界线上产生静电电荷，与外接负载进行电连接后，可形成电流，进而可进行是否违规的判断。

Description

划线漆、单电极摩擦纳米发电机与触碰检测系统
技术领域
本申请涉及自动检测领域，特别涉及一种划线漆、单电极摩擦纳米发电机与触碰检测系统。
背景技术
运动员出界判定一直是当今体育比赛项目给分的重要依据。随着体育事业的快速发展，体育运动的相关设施也在不断更新换代，物联网的加入也使得运动设施逐渐朝着智能化的方向发展。在大大小小的比赛中，我们都能看到LED显示设备对赛场比赛成绩的实时播报、赛事信息的展示以及对比赛期间现场视频的画面转接等；控制设备完成对显示设备、计时记分设备的控制和通讯等功能；在运动场地上，如篮球场上，还装配有计时显示牌等设备。而目前常用的对赛场触线、违规等的判断主要依靠鹰眼或红外系统作为判断依据。但鹰眼技术的使用价格昂贵，并不是所有的比赛都能采用鹰眼技术来帮助判断违规，普及性不高。红外感应、高速摄像机等仪器设备的应用也可以帮助裁判员判断运动员是否违规，但上述设备成本较高且依旧需要通过人为对比来判定比赛结果。
发明内容
本申请公开了一种划线漆、单电极摩擦纳米发电机与触碰检测系统，以达到自动判别是否违规的问题。
为达到上述目的，本申请提供以下技术方案：
一种划线漆，包括油漆涂料和导电材料。
进一步地，所述油漆涂料包括聚氨酯漆、环氧树脂漆或丙烯酸树脂漆中的至少一种。
进一步地，所述导电材料包括固态导电材料或液态导电材料。
进一步地，所述固态导电材料包括固态纳米导电材料和/或导电高分子材料。
进一步地，液态导电材料包括液态银纳米线、银浆或铜浆中的至少一种。
进一步地，所述固态纳米导电材料包括石墨烯、炭黑、碳纳米管或银纳米线中的至少一种。
进一步地，所述导电高分子材料包括聚吡咯、聚苯胺或聚噻吩中的至少一种。
进一步地，所述油漆涂料与所述导电高分子材料的质量比为46-60:1。
进一步地，所述油漆涂料与固态纳米导电材料的质量比为90-110:1。
本申请还提供一种单电极摩擦纳米发电机，包括导线和利用本申请上述划线漆形成的电极摩擦部，所述电极摩擦部与所述导线连接，所述导线用于与外接负载连接。
进一步地，将含有所述油漆涂料与所述导电材料的所述划线漆涂覆于基底，干燥后形成所述电极摩擦部。
进一步地，所述电极摩擦部包括摩擦层和电极层，所述电极层与所述导线连接。
进一步地，所述电极摩擦部的制备包括：将含有所述导电材料的导电浆料涂覆于基底，干燥后形成电极层；再将所述油漆涂料涂覆于所述电极层表面形成摩擦层。
本申请还提供一种上述单电极摩擦纳米发电机在触碰检测系统中的应用。
本申请还提供一种触碰检测系统，包括外接负载，以及本申请的单电极摩擦纳米发电机，其中，所述单电极摩擦纳米发电机的导线与所述外接负载连接。
进一步地，外接负载包括显示装置和/或控制装置。
采用本申请的技术方案，产生的有益效果如下：
本申请划线漆包括油漆涂料和导电材料，其中油漆涂料和导电材料可混合使用，也可分开使用。利用该划线漆形成边界线后，可得到具有导电材料的边界线，当球体或人体触碰该边界线，与该边界线发生接触-分离过程中，会在该边界线上产生静电电荷，与外接负载进行电连接后，可形成电流，进而可进行是否违规的判断。
该划线漆成分简单，利用该划线漆形成的边界线结构简单，成本低廉，制作方便快捷，不仅能完美实现划线漆的基本作用，形成边界线，还成功引入了摩擦纳米发电机的设计，使得划线漆具有了传感的作用。
附图说明
图1为本申请一种实施例提供的单电极摩擦纳米发电机的应用场景示意图；
图2为本申请一种实施例的单电极摩擦纳米发电机的结构示意图；
图3为本申请另一种实施例的单电极摩擦纳米发电机的结构示意图。
附图标记：11-地坪；12-电极层；13-摩擦层；14-导线；15-电极摩擦部。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是：本申请中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有实施方式以及优选实施方法可以相互组合形成新的技术方案。本申请中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有技术特征以及优选特征可以相互组合形成新的技术方案。本申请中，如果没有特别的说明，百分数(％)或者份指的是相对于组合物的重量百分数或重量份。本申请中，如果没有特别的说明，所涉及的各组分或其优选组分可以相互组合形成新的技术方案。本申请中，除非有其他说明，数值范围“a～b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示，其中a和b都是实数。例如数值范围“6～22”表示本文中已经全部列出了“6～22”之间的全部实数，“6～22”只是这些数值组合的缩略表示。本申请所公开的“范围”以下限和上限的形式，可以分别为一个或多个下限，和一个或多个上限。本申请中，除非另有说明，各个反应或操作步骤可以顺序进行，也可以不按照顺序进行。优选地，本文中的反应方法是顺序进行的。
除非另有说明，本文中所用的专业与科学术语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法或材料也可应用于本申请中。
第一方面，本申请实施例提供一种划线漆，包括油漆涂料和导电材料。
本申请的划线漆可用于形成各种比赛场地的边界线，例如羽毛球场地、篮球场地、网球场地等的边界线。利用该划线漆形成的边界线除了具有基本的划界作用外，当外部物体与利用该划线漆形成的边界线发生接触分离的过程中，边界线中的导电材料会产生感应电荷，通过连接负载可传输电流，进而通过摩擦发电实现传感的作用。
其中，所述油漆涂料可为液态油漆。在本申请一种实施例中，所述油漆涂料包括但不限于水性聚氨酯漆、水性环氧树脂漆或水性丙烯酸树脂漆中的至少一种。具体地，所述水性聚氨酯漆可包括水性聚氨酯分散体及助剂。所述水性环氧树脂漆可包括单组分环氧树脂分散体及助剂。所述水性丙烯酸树脂漆可包括含羟基官能团的水性羟基丙烯酸酯分散体及助剂。
在本申请一种实施例中，所述导电材料可为固态导电材料或液态导电材料。
当导电材料为固态导电材料时，固态导电材料可为固态纳米导电材料和/或导电高分子材料。其中，固态纳米导电材料包括但不限于石墨烯、炭黑、碳纳米管或银纳米线中的至少一种。
在本申请的一种实施例中，所述油漆涂料与固态纳米导电材料的质量比为90-110:1。其中，油漆涂料与固态纳米导电材料的质量比典型但非限制性地例如可为90:1、92:1、94:1、96:1、98:1、100:1、102:1、104:1、106:1、108:1或110:1。
当导电材料为高分子导电材料时，高分子导电材料包括但不限于聚吡咯、聚苯胺或聚噻吩中的至少一种。
在本申请的一种实施例中，所述油漆涂料与所述导电高分子材料的质量比为46-60:1。其中，油漆涂料与导电高分子材料的质量比典型但非限制性地例如可为46:1、47:1、48:1、49:1、50:1、51:1、52:1、53:1、54:1、55:1、56:1、57:1、58:1、59:1或60:1。
在本申请一种实施例中，液态导电材料包括但不限于液态银纳米线、银浆或铜浆中的至少一种。
在此需要说明的是，在利用本申请的划线漆制备边界线时，可将油漆涂料与导电材料混合使用，还可分开使用形成边界线。当油漆涂料与导电材料混合使用时，可将导电材料与油漆涂料先混合以形成混合浆料，然后在喷涂或涂覆于地面等基底表面，干燥后形成边界线。当油漆涂料与导电材料分开使用时，可先涂覆含有导电材料的浆料，干燥后形成电极层，然后再在电极层的表面涂覆油漆涂料，干燥后形成最终的边界线。
可以理解的是，本申请的导电材料中，固态导电材料和液态导电材料在应用上并没有本质上的区别，均可达到相同的效果。另外，可通过添加不同的颜料以获得不同颜色的划线漆。
第二方面，本申请提供一种单电极摩擦纳米发电机，包括导线和利用本申请第一方面的划线漆形成的电极摩擦部，所述电极摩擦部与所述导线连接，所述导线用于与外接负载连接。
其中，外接负载可包括显示装置和/或控制装置，具体地，例如可为数据采集与处理单元、控制器、显示器或警报器中的至少一种。
当划线漆用于运动场地时，形成的电极摩擦部即为边界线，例如羽毛球场地、篮球场地、网球场地等的边界线。电极摩擦部与导电连接后，可形成单电极摩擦纳米发电机。
其中，本申请的电极摩擦部可由油漆涂料和导电材料形成，其可利用油漆涂料形成摩擦层或摩擦介质，利用导电材料形成电极层或电极介质。在结构上，电极摩擦部可为单层结构，也可为双层结构。
根据形成的电极摩擦部的结构，可采用三种不同的制备方法形成电极摩擦部。
第一种方法：在本申请一种实施例中，将含有所述油漆涂料与所述导电材料的划线漆涂覆于基底，干燥后可形成单层结构的所述电极摩擦部。单层结构中，介电物质和导电物质处于相互混合的状态，为一体式结构。
作为示例性性说明，以运动场地为例，在制备一体式结构的电极摩擦部时，将导电材料以一定的比例与快干型水性丙烯酸树脂漆混合均匀，用刷涂的方式涂到运动场地坪上的所需划线部分，并在未凝固前在边角外接导线，由于该划线漆的凝固时间较短，导电材料与油漆涂料形成具有摩擦物质和导电物质的复合电极。
第二种方法：在本申请另一种实施例中，当电极摩擦部包括摩擦层和电极层时，该电极摩擦部可通过以下方式制备：将所述导电材料形成浆料涂覆于基底，干燥后形成电极层；再将所述油漆涂料涂覆于所述电极层表面形成摩擦层。
作为示例性说明，以运动场地为例，在制备分离式结构的电极摩擦部时，在运动场地坪上的需划线部分涂上一层导电浆料做电极层，导电浆料凝固前，在边角做外接导线处理，导电浆料凝固后，在其表面正常刷涂油漆涂料做摩擦层，待油漆涂料凝固后，将外接导线接出，将输出信号接入信号采集与处理单元。
第三种方法：在本申请另一种实施例中，可通过调整油漆涂料与导电材料形成的混合浆料的凝固速度，延长其凝固时间，导电材料可自行沉降至最底层形成电极层，而油漆涂料干燥后形成摩擦层。
作为示例性说明，以运动场地为例，在制备分离式结构的电极摩擦部时，将导电材料以一定的比例加入慢干型水性聚氨酯漆或水性环氧树脂漆中，混合均匀，用刷涂的方式涂到运动场地坪上的所需划线部分，并在未凝固前在边角外接导线，由于该划线漆的凝固时间较长，在凝固期间，划线漆内的导电材料会逐渐下沉至最底层，最终形成分离式结构的电极摩擦部。其中，上层为摩擦层，下层为电极层，待划线漆凝固后，将外接导线接出，将输出信号接入信号采集与处理单元。
上述三种方法中，当导电材料为高分子导电材料时，所述油漆涂料与高分子导电材料的优选质量配比例如可为：环氧树脂、溶剂(二甲苯：正丁醇＝7:3)、聚吡咯的重量比为50:30:1。
其中，上述环氧树脂可替换为聚氨酯、丙烯酸树脂、聚氨酯-环氧树脂的混合、丙烯酸树脂-环氧树脂的混合、聚氨酯-丙烯酸树脂的混合、聚氨酯-丙烯酸树脂-环氧树脂的混合。聚吡咯可替换为聚苯胺、聚噻吩、聚苯胺-聚噻吩的混合、聚吡咯-聚苯胺的混合、聚吡咯-聚噻吩的混合、聚苯胺-聚噻吩-聚吡咯的混合。
当导电材料为纳米导电材料时，所述油漆涂料与纳米导电材料的优选配比例如可为环氧树脂和碳纳米管的重量比为100:1。
上述比例中，碳纳米管可替换为石墨烯、炭黑、碳纳米管、银纳米线中的至少一种，或石墨烯、炭黑、碳纳米管、银纳米线中的至少一种与碳纳米管的混合。环氧树脂可替换为聚氨酯、丙烯酸树脂、聚氨酯-环氧树脂的混合、丙烯酸树脂-环氧树脂的混合、聚氨酯-丙烯酸树脂的混合、聚氨酯-丙烯酸树脂-环氧树脂的混合。
当导电材料为纳米导电材料和高分子导电材料时，所述油漆涂料与有机高分子导电材料、纳米导电材料的优选配比可为100:5:1。
本申请提供的单电极摩擦纳米发电机，以生产生活中广泛使用的划线漆材料作为原料依托，并配以不同的导电材料作为电极材料，形成水性涂料，具有成本低廉、绿色环保、干燥速度快、坚韧耐磨、施工方便、附着力强等优点。利用本申请的单电极摩擦纳米发电机，应用范围广，耐磨性强，稳定性高，且能在划线部分实现传感，能够有效帮助判断运动员或各类球是否触线犯规，与程序结合，使用方便快捷，可在比赛或平时的训练中提供准确信息。
可以理解的是，本申请的划线漆中可加入颜料以获得不同颜色的电极摩擦部。
本申请实施例的单电极摩擦纳米发电机的工作原理，是一种摩擦起电和静电感应两方面的综合效应。当外部物体与电极摩擦部的表面相接触时，由于摩擦起电效应，表面电荷将在外部物体与电极摩擦部之间转移进而在两者之间产生电势差，由于电极摩擦部中含有导电材料，在电势差的作用下，电子从导电材料中转移，在外电路上形成一个电流。因此，该单电极摩擦纳米发电机，可通过电流信号的变化来判断是否有外部物体接触，从而作为一种判断是否触线犯规的依据。
本申请的单电极摩擦纳米发电机，可应用于体育场地中，以电极摩擦部作为场地的边界线，对球是否压线进行自动判断。图1为本申请单电极摩擦纳米发电机的一种实施例的应用场景示意图。如图1所示，以羽毛球场地为例，当羽毛球接触到边界线时，与导线相连的电脑端就能接收到羽毛球触线的信号，并记录触线时间等，现场裁判的判断与触线信号、触线时间相结合可以在排除运动员踩踏触线的影响下实现对羽毛球触线的准确监控。该方法成本低，且操作简便，无需给边界线外接电源便能完成触线传感。
另外，该单电极摩擦纳米发电机还可用于其他类型的运动场地中，进行监控。例如，在跳远等需判断触线与否的运动中，则可直接根据触线信号准确判断运动员犯规情况。
由此，该单电极摩擦纳米发电机的电极摩擦部在完成场地划线的基本功能的同时，又能帮助裁判和场上运动员判断操作是否有效。该单电极摩擦纳米发电机的应用范围广泛，可应用于各类球场上，如羽毛球场、网球场、乒乓球台、篮球场等各类运动场地上，前景广阔，具有巨大的市场应用前景。
实施例1
本实施例是一种单电极摩擦纳米发电机的制备方法，将导电浆料涂覆于地坪11表面，在导电浆料干燥前连接导线14，待导电浆料干燥后形成电极层12，然后在电极层12表面涂覆油漆涂料，待油漆涂料干燥后形成摩擦层13。电极层12与摩擦层13形成电极摩擦部15，电极摩擦部15与导线14形成单电极摩擦纳米发电机，其结构如图2所示。
其中，导电浆料例如可为选取铜浆、银浆、炭黑、纳米导电材料或有机高分子导电材料与分散剂形成的溶液浆料。
当摩擦层的表面与外部物体发生接触-分离时，将在带有外接负载的电极层12上产生电荷变化，从而经导线输出电流。
实施例2
本实施例是一种单电极摩擦纳米发电机的制备方法，步骤如下：
步骤S1)、将一定量(质量分数为1％)的碳纳米管加入到一定量的乙醇(质量分数为13％)中，在超声波发生器中超声30分钟，使碳纳米管充分分散在乙醇中，然后将环氧树脂分散体与助剂以常用比例混合均匀，加入上述乙醇溶液中，充分搅拌均匀，形成划线漆；环氧树脂分散体与乙醇、碳纳米管的重量比为100:13:1；
步骤S2)、在划线漆开始固化前，将其均匀刷涂在地坪11上的需划线部分，随即在划线漆的末端连接一根导线14，待划线漆干燥后形成单电极摩擦纳米发电机；在此过程中，由于环氧树脂漆固化时间较久，碳纳米管在干燥过程中逐渐下沉至划线漆底部，干燥后形成导电层12，上层则为摩擦层13，其结构如图2所示。该实施例中，电极层12与摩擦层13形成电极摩擦部15，电极摩擦部15与导线14形成单电极摩擦纳米发电机。
采用沉积的方式制备导电层时，划线漆中的导电材料优先选用炭黑和纳米导电材料。
该实施例的单电极摩擦纳米发电机的工作模式为接触-分离模式。当摩擦层的表面与外部物体发生接触-分离时，将在带有负载的电极层上产生电荷变化，从而经导线输出电流。
实施例3
本实施例是一种单电极摩擦纳米发电机的制备方法，步骤如下：
步骤S1)、将一定量(质量分数为1％)的碳纳米管加入到一定量的乙醇(质量分数为13％)中，在超声波发生器中超声30分钟，使碳纳米管充分分散在乙醇中，然后将丙烯酸树脂分散体与助剂以常用比例混合均匀，加入上述乙醇溶液中，充分搅拌均匀，形成划线漆；丙烯酸树脂分散体与乙醇、碳纳米管的重量比为100:13:1；
步骤S2)、在划线漆开始固化前，将其均匀刷涂在地坪11上的需划线部分，随即在划线漆的末端连接一根导线14，待划线漆干燥后形成单电极摩擦纳米发电机；在此过程中，由于丙烯酸树脂漆固化时间较短，碳纳米管在干燥过程中并未与丙烯酸树脂分离，干燥后形成具有一体式电极摩擦部15的单电极摩擦纳米发电机，其结构如图3所示。
该实施例的单电极摩擦纳米发电机的工作模式为接触-分离模式。当电极摩擦部的表面与外部物体发生接触-分离的过程中，将在带有负载的电极摩擦部上产生电荷变化，从而经导线输出电流。
显然，本领域的技术人员可以对本申请实施例进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种触碰检测系统，其特征在于，包括外接负载，以及单电极摩擦纳米发电机，其中，所述单电极摩擦纳米发电机的导线与外接负载连接；
所述单电极摩擦纳米发电机包括导线和利用划线漆形成的电极摩擦部，所述电极摩擦部与所述导线连接，所述导线用于与外接负载连接；
所述划线漆包括油漆涂料和导电材料；所述导电材料包括固态导电材料或液态导电材料；所述固态导电材料包括固态纳米导电材料和/或导电高分子材料；
所述油漆涂料与所述导电高分子材料的质量比为46-60:1；
所述油漆涂料与所述固态纳米导电材料的质量比为90-110:1；
将含有所述油漆涂料与所述导电材料的划线漆涂覆于基底，干燥后形成所述电极摩擦部。
2.根据权利要求1所述的触碰检测系统，其特征在于，所述油漆涂料包括聚氨酯漆、环氧树脂漆或丙烯酸树脂漆中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的触碰检测系统，其特征在于，所述固态纳米导电材料包括石墨烯、炭黑、碳纳米管或银纳米线中的至少一种；
所述导电高分子材料包括聚吡咯、聚苯胺或聚噻吩中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的触碰检测系统，其特征在于，所述电极摩擦部包括摩擦层和电极层，所述电极层与所述导线连接。
5.根据权利要求4所述的触碰检测系统，其特征在于，所述电极摩擦部的制备包括：将含有所述导电材料的导电浆料涂覆于基底，干燥后形成电极层；再将所述油漆涂料涂覆于所述电极层表面形成摩擦层。
6.根据权利要求1所述的触碰检测系统，其特征在于，所述外接负载为显示装置和/或控制装置。
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