CN113938050A - 一种摩擦纳米发电机高灵敏度瞬时自供电无线传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种摩擦纳米发电机高灵敏度瞬时自供电无线传感系统。摩擦纳米发电机输出端直接连接控制器输入端；控制器输出端分别连接到发射模块输入端，发射模块和接收模块无线连接；控制器中，峰值电压检测器PVD两端连接在控制器的两个输入端之间，峰值电压检测器PVD和MOS管Q1的栅极连接，MOS管Q1和峰值电压检测器PVD一端连接并接地，MOS管Q1依次经双向稳压二极管ZD、二极管D1后和峰值电压检测器PVD另一端连接，双向稳压二极管ZD的两端输出作为控制器的两个输出端。本发明能使得发射信号的幅值和频率的稳定性大大增强，增强了传感系统的抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明属于摩擦纳米发电机无线传感技术领域的一种自供电传感系统，具体涉及一种摩擦纳米发电机高灵敏度瞬时自供电无线传感系统。
背景技术
近年来，包含大量微传感器的物联网(IoT)和无线传感器网络(WSN)受到研究人员的广泛关注。它们已广泛应用于各个领域，例如智能家居、智能制造、和医疗保健等。IoT和WSN核心技术基础是数量庞大的用于收集传感信息的微传感器。如何有效地为这些微传感器供电成为限制IoT和WSN发展的瓶颈。使用电池供电的效率不高，并且对于分布在偏远地区或恶劣的环境中的传感器，难以对电池进行更换和维护。作为一种新兴的能量收集技术，摩擦纳米发电机能够将环境中的机械能转化为电能再为其他设备供电，因此在IoT和WSN的应用中受到了极大的关注。摩擦纳米发电机具有能量输出和转换效率高、材料易得、制造容易、成本低等优点，在自供电无线传感器网络方面具有极大的应用潜力。
基于摩擦纳米发电机的自供电传感器通常根据摩擦纳米发电机在传感系统中的作用分为两类。一种是直接使用摩擦纳米发电机的输出电压作为传感参数(即摩擦纳米发电机作为传感器)，而另一种先收集和储存能量，然后利用收集到的能量为传感系统供电(即摩擦纳米发电机作为电源)。对于前一种情况，摩擦纳米发电机传感器本身无需电源即可输出电信号，但传感系统中的其他电子元件仍需要电源才能运行，这种传感系统不是真正的自供电传感系统，称之为自驱动传感器可能更合适。对于第二种情况，传感系统不能用于实时传感，因为摩擦纳米发电机需要一定的时间来收集足够的能量来为传感系统供电。
最近，一种新型的基于摩擦纳米发电机的自供电瞬时无线传感器系统，能够将摩擦纳米发电机输出电压直接转换为带有传感信息的震荡信号并实现无线发射和接收。例如，2019年10月22日公开的中国专利CN110365122A“基于摩擦纳米发电机的自供能无线传感系统”，2018年10月12日公开的中国专利CN108649833A“带有身份信息的自供电摩擦纳米发电机无线传感发射系统”，2021年4月16日公开的中国专利CN112669488A“基于摩擦纳米发电机和LC传感的金属产品计数分选方法”。这种类型的完全自供电无线传感系统具有能量利用效率高、传感系统简单，成本低等优点。同时这种传感系统可以实现瞬时和实时无线传感，为自供电传感器在物联网和无线传感网络中的广泛应用开辟了道路。在这种类型的无线传感系统中，使用接触式机械开关来增加发射震荡信号的幅度，从而将无线传输距离增加到几米。
然而，接触式微机械开关存在固有的接触抖动问题，导致震荡信号的幅值和频率不稳定。另一方面，外界环境条件(湿度、温度或压力等)和摩擦纳米发电机的工作条件(力、频率或间隔距离等)也会影响自供电传感器系统的稳定性、可靠性和准确性。此外，从系统结构上来看，集成机械开关的摩擦纳米发电机制作过程更复杂，甚至在一些特殊的应用场合下无法集成机械开关。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了一种摩擦纳米发电机高灵敏度瞬时自供电传感系统，以特殊设计的控制器代替机械开关，使得发射信号的幅值和频率的稳定性大大增强，增强了传感系统的抗干扰能力。
本发明所采用的技术方案如下：
本发明主要由摩擦纳米发电机、控制器、发射模块和接收模块依次组成；所述摩擦纳米发电机的两个输出端直接连接控制器的两个输入端；控制器的两个输出端分别连接到发射模块的两个输入端，发射模块和接收模块无线连接。
摩擦纳米发电机可以是垂直分离模式，水平滑动模式或单电极模式。
所述控制器包含峰值电压检测器PVD、二极管D1、双向稳压二极管ZD和MOS管Q1；峰值电压检测器PVD两端连接在控制器的两个输入端之间，峰值电压检测器PVD的输出端Vctl和MOS管Q1的栅极连接，MOS管Q1的源极和峰值电压检测器PVD一端连接并接地，MOS管Q1的漏极依次经双向稳压二极管ZD、二极管D1后和峰值电压检测器PVD另一端连接，双向稳压二极管ZD的两端输出作为控制器的两个输出端。
所述发射模块为一个由电阻R1、电感L1、电容C1(至少应包含L1，C1)组成的RLC谐振腔，具体采用电阻R1、电感L1和电容C1三者串联结构，或者电阻R1、电感L1和电容C1三者并联结构，或者电感L1和电容C1串联结构，或者电感L1和电容C1并联结构。
所述的电阻R1为电阻型传感器，或者电感L1为电感型传感器，或者电容C1为电容型传感器。
所述接收模块采用一个电感L2、或者电阻R1、电感L1和电容C1三者串联结构，或者电阻R1、电感L1和电容C1三者并联结构。
所述的控制器和发射模块均由摩擦纳米发电机供电，没有额外的电源。
控制器实时监测摩擦纳米发电机的输出电压，在摩擦纳米发电机的输出电压达到最大时控制MOS管开启，MOS管导通而将摩擦纳米发电机的输出能量耦合到发射模块中；能量耦合结束后，控制器马上控制MOS管关闭，此时发射模块产生震荡信号；震荡过程中在MOS管和二极管的共同作用下，控制器控制摩擦纳米发电机与发射模块断开连接，因此摩擦纳米发电机和控制器对震荡信号没有影响。
所述控制器的双向稳压二极管ZD替换为单向稳压二极管，单向稳压二极管正向输入端接MOS管Q1的漏极，反向输入端接二极管D1的反向输入端。
还包括一个射频发射模块，在发射模块和接收模块均设置连接射频发射模块，发射模块的射频发射模块将发射模块产生的震荡信号通过射频的方式发射出去，并被接收模块的射频发射模块接收；
还包括一个激光发射模块，在发射模块和接收模块均设置连接激光发射模块，发射模块的激光发射模块将发射模块产生的震荡信号通过激光的方式无线发射出去，并被接收模块的激光发射模块接收。
本发明通过使用特殊设计的控制器代替微机械开关，使得发射信号的幅值和频率的稳定性大大增强，避免了机械开关集成到摩擦纳米发电机的过程。增加了该传感系统的实用性和应用潜力。
本发明具有的有益效果：
本发明可以在无需外部电源供电的情况下，将摩擦纳米发电机产生的能量高效的转化为携带传感信息的震荡信号并无线发射出去。
相比于已有的机械开关模式的摩擦纳米发电机自供电瞬时传感系统，本发明自供电传感系统避免了微机械开关的接触抖动问题，消除了因外界环境条件(湿度、温度或压力等)和摩擦纳米发电机的工作条件(力、频率或间隔距离等)引起的发射信号的频率和幅值不稳定的问题，增强了摩擦纳米发电机瞬时自供电传感器系统的稳定性、可靠性，准确性和抗干扰能力。此外，从系统结构的设计上来看，集成机械开关的摩擦纳米发电机制作过程更复杂，甚至在一些特殊的应用场合下无法集成机械开关。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2为本发明实施例中控制信号和发射信号的波形图；
图3(a)、图3(b)、图3(c)、为本发明实施例电阻R1取不同值情况下的发射波形；
图4是为本发明实施例电感L1取不同值情况下的发射信号频谱图。
图中：1、摩擦纳米发电机，2、控制器，3、发射模块，4、接收模块。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，系统主要由摩擦纳米发电机、控制器、发射模块和接收模块依次组成；摩擦纳米发电机的两个输出端直接连接控制器的两个输入端；控制器的两个输出端分别连接到发射模块的两个输入端，发射模块和接收模块无线连接，控制器和发射模块均由摩擦纳米发电机供电，没有额外的电源。
控制器和发射模块将摩擦纳米发电机产生的能量直接转化为携带传感信息的震荡信号，震荡信号通过发射模块的射频发射器、红外发射器、激光发射器或直接以互感耦合的方式无线发射出去。
控制器包含峰值电压检测器PVD、二极管D1、双向稳压二极管ZD和MOS管Q1；峰值电压检测器PVD两端连接在控制器的两个输入端之间，峰值电压检测器PVD的控制输出端和MOS管Q1的栅极连接，进而实现峰值电压检测器PVD控制MOS管的导通状态，MOS管Q1的源极和峰值电压检测器PVD一端连接并接地，MOS管Q1的漏极依次经双向稳压二极管ZD、二极管D1后和峰值电压检测器PVD另一端连接，二极管D1的正极和峰值电压检测器PVD另一端连接，双向稳压二极管ZD的两端输出作为控制器的两个输出端，二极管D1实现摩擦纳米发电机到发射模块的单向导通，MOS管也实现摩擦纳米发电机到发射模块的单向导通。这样形成二极管，双向稳压二极管和MOS管串联连接，双向稳压二极管的两端作为输出端将信号输出给发射模块。
发射模块为一个由电阻R1、电感L1、电容C1中选择至少其一组成的RLC谐振腔，具体采用电阻R1、电感L1和电容C1中其中之一或者电阻R1和电感L1的串/并联结构或者电阻R1和电容C1的串/并联结构。
RLC谐振腔中的电阻、电感和电容值的变化对震荡信号发出的无线信号进行频率或幅度调制，实现自供电无线传感功能；通过电阻调节振幅/幅度，通过电感或者电容调节频率。
发射模块中包括串联RLC腔或并联RLC谐振腔。RLC谐振腔中的电感和电容为电感型传感器和电容型传感器，电感型传感器的电感值或电容型传感器的电容值变化会对发射震荡信号进行频率调制；电阻为电阻型传感器，电阻型传感器的电阻值变化会对发射震荡信号进行幅度调制。
接收模块采用一个电感L2、或者电阻R1和电感L1的串/并联结构或者电阻R1和电容C1的串/并联结构。
接收模块中的电感L2与发射模块中的电感L1构成磁耦合系统，发射模块与接收模块以磁耦合方式无线传感。
当接收模块包括电容C2和电阻R2时，电容C2和电阻R2与电感L2也构成RLC谐振腔作为接收谐振腔，发射模块的RLC谐振腔作为发射谐振腔，发射谐振腔与接收谐振腔具有相同的谐振频率，发射模块与接收模块以谐振耦合方式无线传感。
具体实施中在控制器的两个输入端之间额外再并联一个用于单向滤波的二极管，通过二极管对输入到控制器的两个输入端的交变电流/电压进行单向筛选导通。
具体实施可以包括一个射频发射模块，在发射模块和接收模块均设置连接射频发射模块，发射模块的射频发射模块将发射模块产生的震荡信号通过射频的方式发射出去，并被接收模块的射频发射模块接收；
具体实施可以包括一个激光发射模块，在发射模块和接收模块均设置连接激光发射模块，发射模块的激光发射模块将发射模块产生的震荡信号通过激光的方式无线发射出去，并被接收模块的激光发射模块接收。
具体实施中，二极管D1的型号为1N4007、1N5339或1N5408。
MOS管Q1的型号为FQD10N60C、FQD8N60C或FQD5N60C。
双向稳压二极管ZD替换为单向稳压二极管。
基于摩擦纳米发电机的高灵敏度瞬时自供电传感系统的工作原理如下：
摩擦纳米发电机1作为电源为发射模块3供电，发射模块3将每一个由摩擦纳米发电机1产生的脉冲信号转换为携带传感信息的震荡信号无线发射出去，信号的频率由发射模块3的电容C1、电感L1决定。
在特殊设计的控制器2的控制下，控制器2实时采集接收摩擦纳米发电机1的输出信号，
当摩擦纳米发电机1的输出信号的电压达到预设阈值时，则认为摩擦纳米发电机1的输出信号的电压最大时，控制器2向MOS管的栅极发送导通信号，使得MOS管导通，摩擦纳米发电机1为发射模块3瞬时供电，能量注入到LC震荡器中。整个供电持续时间非常短，具体实施在100ns左右，在供电结束后发射模块3内产生震荡信号。
在震荡信号持续震荡的过程中，控制器2已经向MOS管的栅极发送断开信号，摩擦纳米发电机1在MOS管和二极管D1的共同作用下与发射模块3断开连接。控制器2不会影响发射模块3产生的震荡信号的频率和振幅，且控制器2中的稳压二极管ZD使得发射信号的初始幅值恒定。
在没有稳压二极管ZD的情况下，发射信号的初始幅值与摩擦纳米发电机的输出电压幅值成正比。
当发射模块2中的R1替换为电阻型压力传感器时，压力的变化使得R1电阻值也随之改变，从而对发射信号进行振幅调制。
当发射模块2中的C1或L1替换为电容型或电感型压力传感器时，压力的变化使得C1或L1发生改变，从而对发射信号进行频率调制。
发射信号的具体产生过程如下：
发射模块3产生震荡信号的过程可分为两个阶段：
一是充电阶段，二是震荡阶段。
在充电阶段，发射模块3中的两个储能元件——电感L1和电容C1都将从摩擦纳米发电机1中获取能量。在充电结束时，控制器2与发射模块3断开连接。随后，在电容器C1和电感器L1中的初始能量的激励下，发射模块产生震荡信号。由于电感L1和电容C1并联连接，因此它们两端的电压相同。
图2给出了控制信号Vctl(MOS管Q1的G-S电压)和L1和C1两端的电压VLC的波形，其中t1和t2是充电时间段，t3是震荡时间段。在t＝0时刻，摩擦纳米发电机输出的脉冲电压达到最大值并被峰值电压检测器检测到。此时，峰值电压检测器输出高电平，从而导通MOS管Q1。
随后，摩擦纳米发电机给发射模块2中的RLC谐振腔充电，VLC急剧上升，如图2中t1时间段所示。在双向稳压二极管的作用下，当VLC增加到50V时就趋于稳定(本实施例中的齐纳二极管稳压电压为VZD＝50V)，如图2中的t2时间段所示。在t＝t1+t2时刻(本实施例中t1+t2＝250ns)，控制信号Vctl由高电平变为低电平，MOS管Q1关闭，RLC谐振腔开始产生震荡信号，如图2中的t3时间段所示。在震荡阶段，无论RLC谐振腔的电压是正还是负，二极管D1和MOS管Q1中总有一个处于关断状态，因此控制器2相当于与发射模块3断开。所以摩擦纳米发电机1和控制器2对发射模块3产生的震荡信号没有影响。在整个过程中所有模块都是由摩擦纳米发电机供电，没有额外的电源。
将发射模块2中的R1替换为电阻型压力传感器，电阻R1随压力的变化而变化，从而对发射信号进行振幅调制。图3(a)、图3(b)、图3(c)所示为不同R1值对应的发射信号波形，其中横坐标为时间，纵坐标为电压。从图中可以看出R1越小，发射信号衰减速度越快。将发射模块2中的L1替换为电感型压力传感器，电感L1随压力的变化而变化，从而对发射信号进行频率调制。图4所示为不同电感值情况下得发射信号的频谱图，其中横轴为频率，纵轴为幅值。从图中可以看出电感值越大，发射信号的频率越低。
以上对本发明所提供的基于摩擦纳米发电机的高灵敏度无线传感系统进行了介绍。并且结合附图，进一步阐述了本发明。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种摩擦纳米发电机高灵敏度瞬时自供电传感系统，其特征在于：主要由摩擦纳米发电机(1)、控制器(2)、发射模块(3)和接收模块(4)依次组成；所述摩擦纳米发电机(1)的两个输出端直接连接控制器(2)的两个输入端；控制器(2)的两个输出端分别连接到发射模块(3)的两个输入端，发射模块(3)和接收模块(4)无线连接。
2.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机高灵敏度瞬时自供电传感系统，其特征在于：所述控制器(2)包含峰值电压检测器PVD、二极管D1、双向稳压二极管ZD和MOS管Q1；峰值电压检测器PVD两端连接在控制器(2)的两个输入端之间，峰值电压检测器PVD的输出端Vctl和MOS管Q1的栅极连接，MOS管Q1的源极和峰值电压检测器PVD一端连接并接地，MOS管Q1的漏极依次经双向稳压二极管ZD、二极管D1后和峰值电压检测器PVD另一端连接，双向稳压二极管ZD的两端输出作为控制器(2)的两个输出端。
3.根据权利要求2所述的摩擦纳米发电机高灵敏度瞬时自供电传感系统，其特征在于：所述发射模块为一个由电阻R1、电感L1、电容C1组成的RLC谐振腔，具体采用电阻R1、电感L1和电容C1三者串联结构，或者电阻R1、电感L1和电容C1三者并联结构，或者电感L1和电容C1串联结构，或者电感L1和电容C1并联结构。
4.根据权利要求3所述的摩擦纳米发电机高灵敏度瞬时自供电传感系统，起特征在于：所述的电阻R1为电阻型传感器，或者电感L1为电感型传感器，或者电容C1为电容型传感器。
5.根据权利要求2所述的摩擦纳米发电机高灵敏度瞬时自供电传感系统，其特征在于：所述接收模块采用一个电感L2、或者电阻R1、电感L1和电容C1三者串联结构，或者电阻R1、电感L1和电容C1三者并联结构。
6.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机高灵敏度瞬时自供电传感系统，其特征在于：所述的控制器(2)和发射模块(3)均由摩擦纳米发电机供电，没有额外的电源。
7.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机高灵敏度瞬时自供电传感系统，其特征在于：所述控制器(2)的双向稳压二极管ZD替换为单向稳压二极管，单向稳压二极管正向输入端接MOS管Q1的漏极，反向输入端接二极管D1的反向输入端。
8.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机高灵敏度瞬时自供电传感系统，其特征在于：还包括一个射频发射模块，在发射模块和接收模块均设置连接射频发射模块，发射模块的射频发射模块将发射模块产生的震荡信号通过射频的方式发射出去，并被接收模块的射频发射模块接收。
9.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机高灵敏度瞬时自供电传感系统，其特征在于：还包括一个激光发射模块，在发射模块和接收模块均设置连接激光发射模块，发射模块的激光发射模块将发射模块产生的震荡信号通过激光的方式无线发射出去，并被接收模块的激光发射模块接收。
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