CN113162456A - 摩擦纳米发电机、振动频率监测系统、振动频率监测方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供摩擦纳米发电机、振动频率监测系统、振动频率监测方法，该摩擦纳米发电机包括第一电极、第二电极、第三电极和摩擦介质层，第三电极设置于摩擦介质层的第一面，第一电极和第二电极设置于摩擦介质层的第二面、且第一电极和第二电极之间具有间隙，第二面与第一面背离。在振动源的激励下，第一电极与摩擦介质层接触和分离，使第一电极与第三电极之间产生第一电信号，该第一电信号用于供电；第二电极与摩擦介质层接触和分离，使第二电极与第三电极之间产生第二电信号，该第二电信号用于确定振动源的振动频率。这样，提供了一种集供电和传感于一体的摩擦纳米发电机，为振动频率监测的长续航和无人监管提供了有效解决途径。

Description

摩擦纳米发电机、振动频率监测系统、振动频率监测方法

技术领域

本申请涉及新能源技术领域，尤其涉及一种摩擦纳米发电机、振动频率监测系统、振动频率监测方法。

背景技术

工业生产中，各式各样的设备均可以看作振动源，振动源的振动可以反映振动源的工作状态信息，利用振动源的振动信号可以分析振动源的运行状态，且这种方式具有方便、无损性等优点。

相关技术中，振动源的振动信号由振动传感器获取，而振动传感器采用传统的充电电池供电，而充电电池具有寿命有限、环境污染等问题，并且，电池的电量耗尽时还需对其进行更换，维护起来也不方便。这些都限制了振动频率监测的应用。

发明内容

本申请实施例提供一种摩擦纳米发电机、振动频率监测系统、振动频率监测方法，用以解决相关技术中在使用传统的电池进行振动频率监测时由于电池的续航能力弱且需监管电量消耗而导致振动频率监测应用受限的问题。

第一方面，本申请实施例提供一种摩擦纳米发电机，包括：

第一电极、第二电极、第三电极和摩擦介质层，所述第三电极设置于所述摩擦介质层的第一面，所述第一电极和所述第二电极设置于所述摩擦介质层的第二面、且所述第一电极和所述第二电极之间具有间隙，所述第二面与所述第一面背离；

在振动源的作用下，所述第一电极与所述摩擦介质层接触和分离，使得所述第一电极与所述第三电极之间产生第一电信号，所述第一电信号用于供电，所述第二电极与所述摩擦介质层接触和分离，使得所述第二电极与所述第三电极之间产生第二电信号，所述第二电信号用于确定所述振动源的振动频率。

本申请实施例提供的摩擦纳米发电机在利用振动发电的同时进行振动频率监测，相当于集供电和传感于一体，所以可为振动频率监测的长续航和无人监管提供有效解决途径。

在一些可能的实施方式中，所述第一电极的电极面积大于所述第二电极的电极面积。

在一些可能的实施方式中，所述振动源的振动频率位于6Hz到20Hz之间。

第二方面，本申请实施例提供一种振动频率监测系统，包括上述任一所述的摩擦纳米发电机、能量管理模和信号处理模块，其中：

所述能量管理模块，与所述摩擦纳米发电机相连，用于对所述摩擦纳米发电机输出的第一电信号进行整流与降压升流，利用整流与降压升流后的第一电信号提供电能；

所述信号处理模块，分别与所述摩擦纳米发电机和所述能量管理模相连，用于利用所述能量管理模块提供的电能对所述摩擦纳米发电机输出的第二电信号进行转换处理，得到驱动所述摩擦纳米发电机工作的振动源的振动频率信息。

在一些可能的实施方式中，所述信号处理模块包括依次相连的稳压电路、比较电路和计数器，其中：

所述稳压电路，用于稳定所述摩擦纳米发电机输出的第二电信号；

所述比较电路，与所述稳压电路的一个节点相连，用于将所述节点对应的电压信号和给定的基准电压进行比较，根据比较结果输出振动频率指示信号；

所述计数器，用于对振动频率指示信号中的上升沿进行计数，得到所述振动频率信息。

在一些可能的实施方式中，所述信号处理模块还包括分压电路，所述比较电路通过所述分压电路与所述节点相连，

所述分压电路，用于调节所述节点对应的电压信号；

所述比较电路，具体用于若确定所述节点对应的电压信号大于所述基准电压信号，则输出高电平信号，若确定所述节点对应的电压信号不大于所述基准电压信号，则输出低电平信号。

在一些可能的实施方式中，所述能量管理模块包括依次相连的电源管理电路和电能存储电路，其中：

所述电源管理电路，用于对所述摩擦纳米发电机输出的第一电信号进行整流与降压升流；

所述电能存储电路，用于存储整流与降压升流后的电能，并利用存储的电能对外供电。

在一些可能的实施方式中，所述能量管理模块还包括与所述电能存储电路相连的稳压电路，

所述稳压电路，用于稳定所述电能存储电路对外输出的电压。

在一些可能的实施方式中，还包括无线信号发射模块，

所述无线信号发射模块，与所述能量管理模和所述信号处理模块分别相连，用于利用所述能量管理模块提供的电能向外发送所述信号处理模块得到的振动频率信息。

本申请实施例中的振动频率监测系统利用振动进行供电，脱离了对传统充电电池的依赖，而且兼具振动频率监测的能力，可实现振动能量收集-管理-利用的完整过程，是一种自驱动的无线振动频率监测系统，既不需要考虑电池寿命的问题，也不需要对电池的充电维护问题，使用起来非常方便，具有广阔的应用前景。

第三方面，本申请实施例提供一种振动频率监测方法，包括：

对摩擦纳米发电机输出的第一电信号进行整流与降压升流，所述摩擦纳米发电机为上述任一所述的摩擦纳米发电机；

利用整流与降压升流后的第一电信号提供电能；

利用所述电能对所述摩擦纳米发电机输出的第二电信号进行转换处理，得到驱动所述摩擦纳米发电机工作的振动源的振动频率信息。

本申请的这些方面或其它方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种摩擦纳米发电机的示意图；

图2为本申请实施例提供的一种振动频率监测系统的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种振动频率监测系统的应用场景示意图；

图4为本申请实施例提供的一种信号处理模块的电路结构示意图；

图5为本申请实施例提供的又一种振动频率监测系统的应用场景示意图；

图6为本申请实施例提供的振动频率监测系统的频率监测结果的示意图；

图7为本申请实施例基于上述摩擦纳米发电机提供的一种振动频率监测方法的流程图。

具体实施方式

为了解决相关技术中在使用传统的电池进行振动频率监测时由于电池的续航能力弱且需监管电量消耗而导致振动频率监测应用受限的问题，本申请实施例提供了一种摩擦纳米发电机、振动频率监测系统、振动频率监测方法。

图1为本申请实施例提供的一种摩擦纳米发电机的示意图，包括第一电极101、第二电极102、摩擦介质层103和第三电极104，第三电极104设置于摩擦介质层103的第一面，第一电极101和第二电极102设置于摩擦介质层103的第二面、且第一电极101和第二电极102之间具有间隙，其中，第二面与第一面背离。

在振动源的激励下，第一电极101与摩擦介质层103接触和分离，可使第一电极101与第三电极104之间产生第一电信号，该第一电信号用于供电；第二电极102与摩擦介质层103接触和分离，可使第二电极102与第三电极104之间产生第二电信号，该第二电信号用于确定振动源的振动频率。

具体实施时，第一电极101和第二电极102可采用相同的金属材料制成，且该金属材料与摩擦介质层(如高分子薄膜)103的材料之间存在摩擦电负性差异。后续，在振动源的激励下，第一电极101与高分子薄膜103接触分离，由于摩擦电负性差异，第一电极101表面会产生正电荷，高分子薄膜103表面产生会负电荷，然后，在静电感应的作用下，电子会在第一电极101和第三电极104之间流动从而形成电流即第一电信号。第二电极102和第三电极104之间形成第二电流信号的过程与此类似，在此不再赘述。

实际应用中，为了能够持续供电，希望摩擦纳米发电机提供的电能越多越好，而在进行振动频率监测时只需摩擦纳米发电机提供的电信号稳定即可，并不需要很高的电压。

所以在一些可能的实施方式中，第一电极101的电极面积可大于第二电极102的电极面积。这样，利于摩擦纳米发电机尽可能多地提供电能，并利用摩擦纳米发电机提供稳定的振动频率信息。

比如，第一电极101的电极面积可以是第二电极102的电极面积的4-5倍。

本申请实施例提供的摩擦纳米发电机在利用振动发电的同时进行振动频率监测，相当于集供电和传感于一体，所以可为振动频率监测的长续航和无人监管提供有效解决途径。

图2为本申请实施例基于上述摩擦纳米发电机提供的一种振动频率监测系统的结构示意图，包括摩擦纳米发电机、能量管理模和信号处理模块，其中：

能量管理模块，与摩擦纳米发电机相连，用于对摩擦纳米发电机输出的第一电信号进行整流与降压升流，利用整流与降压升流后的第一电信号提供电能，其中，针对摩擦纳米发电机输出的第一电信号，可先进行整流再进行降压升流；

信号处理模块，分别与摩擦纳米发电机和能量管理模相连，用于利用能量管理模块提供的电能对摩擦纳米发电机输出的第二电信号进行转换处理，得到驱动摩擦纳米发电机工作的振动源的振动频率信息。

在一些可能的实施方式中，振动频率监测系统还可以包括与能量管理模和信号处理模块分别相连的无线信号发射模块，以及

该无线信号发射模块，用于利用能量管理模块提供的电能向外发送信号处理模块得到的振动频率信息。

本申请实施例提供的振动频率监测系统利用振动进行供电，脱离了对传统充电电池的依赖，而且兼具振动频率监测的能力，可实现振动能量收集-管理-利用的完整过程，是一种自驱动的无线振动频率监测系统，既不需要考虑充电电池的寿命问题，也不需要考虑充电电池的电量维护问题，使用起来非常方便，所以具有广阔的应用前景。

图3为本申请实施例提供的一种振动频率监测系统的应用场景示意图，其中，摩擦纳米发电机包括供电部分和传感部分，能量管理模块配置为电性连接于摩擦纳米发电机供电部分的后端，用于将摩擦纳米发电机供电部分产生的电能进行处理与存储，并利用存储的电能为信号处理模块和无线信号发射模块供电；信号处理模块配置为电性连接于摩擦纳米发电机传感部分的后端，用于将摩擦纳米发电机传感部分的输出信号转换为振动频率信息；无线信号发射模块，与能量管理模块和信号处理模块均相连，用于利用能量管理模块提供的电能通过无线通讯的方式向外发射信号处理模块得到的振动频率信息，以实现振动频率的远距离传输。

无线信号接收模块，用于通过无线通讯的方式接收振动频率信息；物联网模块，用于将接收到的振动频率信息通过基站等通讯设备上传至云平台；云平台，用于利用电脑、手机等终端显示振动频率信息，从而实现振动频率的实时监测和显示。

本申请实施例提供的振动频率监测系统完全由振动源的振动驱动，不依赖于其它激励源，所以可以持续有效地监测振动频率信息。

在一些可能的实施方式中，能量管理模块包括依次相连的电源管理电路和电能存储电路，其中：

电源管理电路，用于对摩擦纳米发电机输出的第一电信号进行整流与降压升流；

电能存储电路，用于存储整流与降压升流后的电能，并利用存储的电能对外供电。

这样，对第一电信号进行整流与降压升流利于将摩擦纳米发电机提供的电能最大化，并且，可存储摩擦纳米发电机提供的电能，也利于摩擦纳米发电机持续对外提供电能。

在一些可能的实施方式中，能量管理模块还包括与电能存储电路相连的稳压电路，以及

该稳压电路，用于稳定电能存储电路对外输出的电压。

在一些可能的实施方式中，信号处理模块包括依次相连的稳压电路、比较电路和计数器，其中：

稳压电路，用于稳定摩擦纳米发电机输出的第二电信号；

比较电路，与稳压电路的一个节点相连，用于将该节点对应的电压信号和给定的基准电压进行比较，根据比较结果输出振动频率指示信号；

计数器，用于对振动频率指示信号中的上升沿进行计数，得到振动频率信息。

这样，将该节点对应的电压信号和给定的基准电压进行比较，可以降低噪声对振动频率监测的影响，提升振动频率监测的准确性。

另外，该节点对应的电压信号可能会高于比较器的工作电压，为了能够得到合适的电压，还可借助于分压电路来对改变该节点对应的电压信号。

所以在一些可能的实施方式中，信号处理模块还包括分压电路，上述比较电路通过分压电路与上述节点相连，以及

该分压电路，用于调节该节点对应的电压信号；

相应地，比较电路，具体用于若确定该节点对应的电压信号大于基准电压信号，则输出高电平信号，若确定该节点对应的电压信号不大于基准电压信号，则输出低电平信号。

图4为本申请实施例提供的一种信号处理模块的电路结构示意图，其中，稳压电路包括电阻R1和稳压二极管D1，比较电路包括比较器，分压电路包括电阻R2和R3，其中：

稳压电路，用于将摩擦纳米发电机传感部分输出的电信号进行整流与稳压，使交流信号变为稳定的直流信号；

分压电路，用于降低直流信号的电压，将电压值较高的信号调整为适于驱动微处理器工作的电压值较低的信号，图4中的比较器和计数器可以集成在微处理器上；

比较电路，用于对进入微处理器的信号进行整形处理，其中，比较器设定的基准电压值为1.5V，电压值较基准电压值低的信号输出低电平，较基准电压值高的信号输出高电平；

计数器，用于将比较器输出的信号转换为频率值。具体地，当检测到信号上升沿时，计数器的值加1，得到一定时间周期内信号的上升沿个数，基于时间周期和上升沿个数即可计算出振动源的振动频率信息。

图5为本申请实施例提供的又一种振动频率监测系统的应用场景示意图。在能量供给方面，摩擦纳米发电机供电部分不断收集振动源的振动能并转换为电能，由于这种能量无法直接为后端的微处理器供电，所以可利用电源管理电路对摩擦纳米发电机供电部分得到的电能进行整流与降压升流。而为了使多余的电能不被浪费，还利用电能存储电路如储能电容将多余的能量存储起来，使系统能够持续、稳定地工作。另外，还可在储能电容两端接入稳压电路使储能电容的输出电压不高于2.5V，以便于驱动后端微处理器(集成有比较器和计数器)工作。

而在信息流向方面，摩擦纳米发电机传感部分的输出信号经处理模块转换得到振动频率信息，振动频率信息经无线信号发射模块进行数据发射，无线信号接收模块进行数据接收，完成无线通信。物联网模块将接收到的数据上传至云平台，由云平台通过电脑、手机等终端进行显示，从而实现振动频率的实时监测和显示。

图6为本申请实施例提供的振动频率监测系统的频率监测结果的示意图，在6Hz–20Hz的范围内分别调整振动源的振动频率，将每个给定频率下得到的30次频率检测结果取平均值并计算标准差，结果显示，在6Hz–20Hz的频率范围内，振动频率监测系统具有良好的准确度。

图7为本申请实施例基于上述摩擦纳米发电机提供的一种振动频率监测方法的流程图，包括以下步骤：

S701：对摩擦纳米发电机输出的第一电信号进行整流与降压升流。

S702：利用整流与降压升流后的第一电信号提供电能。

S703：利用该电能对摩擦纳米发电机输出的第二电信号进行转换处理，得到驱动摩擦纳米发电机工作的振动源的振动频率信息。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、装置(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请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 (10)

1.一种摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：

第一电极、第二电极、第三电极和摩擦介质层，所述第三电极设置于所述摩擦介质层的第一面，所述第一电极和所述第二电极设置于所述摩擦介质层的第二面、且所述第一电极和所述第二电极之间具有间隙，所述第二面与所述第一面背离；

在振动源的作用下，所述第一电极与所述摩擦介质层接触和分离，使得所述第一电极与所述第三电极之间产生第一电信号，所述第一电信号用于供电，所述第二电极与所述摩擦介质层接触和分离，使得所述第二电极与所述第三电极之间产生第二电信号，所述第二电信号用于确定所述振动源的振动频率。

2.如权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一电极的电极面积大于所述第二电极的电极面积。

3.如权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述振动源的振动频率位于6Hz到20Hz之间。

4.一种振动频率监测系统，其特征在于，包括如权利要求1-3任一所述的摩擦纳米发电机、能量管理模和信号处理模块，其中：

所述能量管理模块，与所述摩擦纳米发电机相连，用于对所述摩擦纳米发电机输出的第一电信号进行整流与降压升流，利用整流与降压升流后的第一电信号提供电能；

所述信号处理模块，分别与所述摩擦纳米发电机和所述能量管理模相连，用于利用所述能量管理模块提供的电能对所述摩擦纳米发电机输出的第二电信号进行转换处理，得到驱动所述摩擦纳米发电机工作的振动源的振动频率信息。

5.如权利要求4所述的振动频率监测系统，其特征在于，所述信号处理模块包括依次相连的稳压电路、比较电路和计数器，其中：

所述稳压电路，用于稳定所述摩擦纳米发电机输出的第二电信号；

所述比较电路，与所述稳压电路的一个节点相连，用于将所述节点对应的电压信号和给定的基准电压进行比较，根据比较结果输出振动频率指示信号；

所述计数器，用于对振动频率指示信号中的上升沿进行计数，得到所述振动频率信息。

6.如权利要求5所述的振动频率监测系统，其特征在于，所述信号处理模块还包括分压电路，所述比较电路通过所述分压电路与所述节点相连，

所述分压电路，用于调节所述节点对应的电压信号；

所述比较电路，具体用于若确定所述节点对应的电压信号大于所述基准电压信号，则输出高电平信号，若确定所述节点对应的电压信号不大于所述基准电压信号，则输出低电平信号。

7.如权利要求4所述的振动频率监测系统，其特征在于，所述能量管理模块包括依次相连的电源管理电路和电能存储电路，其中：

所述电源管理电路，用于对所述摩擦纳米发电机输出的第一电信号进行整流与降压升流；

所述电能存储电路，用于存储整流与降压升流后的电能，并利用存储的电能对外供电。

8.如权利要求7所述的振动频率监测系统，其特征在于，所述能量管理模块还包括与所述电能存储电路相连的稳压电路，

所述稳压电路，用于稳定所述电能存储电路对外输出的电压。

9.如权利要求4所述的振动频率监测系统，其特征在于，还包括无线信号发射模块，

所述无线信号发射模块，与所述能量管理模和所述信号处理模块分别相连，用于利用所述能量管理模块提供的电能向外发送所述信号处理模块得到的振动频率信息。

10.一种振动频率监测方法，其特征在于，包括：

对摩擦纳米发电机输出的第一电信号进行整流与降压升流，所述摩擦纳米发电机为权利要求1-3任一所述的摩擦纳米发电机；

利用整流与降压升流后的第一电信号提供电能；

利用所述电能对所述摩擦纳米发电机输出的第二电信号进行转换处理，得到驱动所述摩擦纳米发电机工作的振动源的振动频率信息。

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