CN114659739A - 一种基于磁力与摩擦电效应的自供能结构振动监测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于磁力与摩擦电效应的自供能结构振动监测装置，包括外部单元、上部单元和下部单元。外部单元包括上部磁板和环形保护壳。上部单元包括大直径空心圆柱体、小直径空心圆柱体和可移动磁力柱体，它们表面涂覆摩擦生电材料层A。下部单元包括环形板单元和底座单元。环形板单元包括小直径环形板、中直径环形板、大直径环形板，它们表面涂覆摩擦生电材料层B。上部单元与下部单元通过独立的间隙互相嵌入，当上部单元受到轴向振动时，在具有相同极性磁体的互斥作用下保持长期规律地上下滑动，致使摩擦生电材料层A与摩擦生电材料层B相互摩擦，从而产生电荷与电压信号，达到产生电能与振动传感的目的。

Description

一种基于磁力与摩擦电效应的自供能结构振动监测装置
技术领域
本发明属于振动能采集与传感领域，具体涉及一种基于磁力与摩擦电效应的自供能结构振动监测装置。
背景技术
振动是自然环境中最为常见的一种机械运动。它形式多样、无处不在，如人体脉动、机械设备运行时的振动、轮胎在不平路面上的抖动等等。因此，机械振动作为一种可再生清洁能源，一直是能量采集领域的研究热点。已有的振动能采集原理主要包括电磁感应、静电感应和压电效应三类，但是它们在振动能的采集和传感中受限于设备结构复杂、需要高密度的贵重材料、依赖外接电源等问题。此外，环境中的机械振动往往处在低频范围，并且振动频率也随时间和环境变化。因此，自然环境中缺乏在低频范围内具有优异电学输出和较宽工作带宽的振动能采集或传感器件。摩擦纳米发电机利用接触起电和静电感应原理，在低频范围内具有优异的电能输出和较宽的工作频带，且其机械结构简单、设计方式多样，适用于多尺度、多场景的环境条件。
摩擦纳米发电机利用两种得失电子能力迥异的材料相互之间的摩擦起电和静电感应的耦合效应，将人类生活环境中无规律的低频机械能转换为可以使用的电能，其四种基本工作模式分别是垂直接触分离式、水平滑动式、单电极式和独立摩擦层式。鉴于摩擦纳米发电机独特的机制和结构所产生的卓越的输出性能、前所未有的鲁棒性和普遍适用性，其应用领域包括生物医学和保健、化学和环境监测、智慧城市、智慧海洋等领域。
在本发明中，考虑到自然环境中低频机械振动可广泛用于振动能采集和传感的特点，我们提出了一种基于磁力与摩擦电效应的自供能结构振动监测装置，该设计利用互斥磁体使磁板保持长期规律的振动，并利用摩擦纳米发电概念进行振动能收集和传感。本发明解决的问题是，利用互斥磁体的作用提高磁板振荡次数，从而达到提高振动信号的产生频率和振动能量的产生效率的目的。本发明的创新之处在于，一是在结构上依靠磁力维持长期规律的振荡，从而达到较传统设计能够产生更多振动信号和能量的目的。并且可通过减少摩擦生电材料层的厚度来减少摩擦，从而增加振动信号的输出，亦可通过增加摩擦生电材料层的厚度来增加摩擦，从而增加振动能量的产生，具体选择与平衡可根据应用场景确定。二是可以实现传感监测，通过无线通讯将装置采集的数据实时传输到数据处理与预警模块，再对采集到的数据进行处理、管理和可视化操作，通过设定电压信号的阈值可以判断结构的振动情况。三是可实现装置自供能，利用摩擦纳米发电机的能量采集功能，通过设置控制电路进行电能输送和采集，设置高能电容器进行电能存储与放电，从而形成自供能的振动传感装置，替代传统的传感器与电池组合的方式，无需替换电池时的财力消耗，适用于偏远和复杂环境下的环境监测，如大桥、大坝、海上风机、海洋等。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提出了一种基于磁力与摩擦电效应的自供能结构振动监测装置，其利用互斥磁体的作用提高磁板振荡次数，从而达到提高振动信号的产生频率和振动能量的产生效率的目的。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于磁力与摩擦电效应的自供能结构振动监测装置，该装置包括外部单元、上部单元和下部单元；
所述外部单元包括上部磁板；所述上部磁板嵌入有两圈小型圆柱体磁铁；
所述上部单元包括大直径空心圆柱体、小直径空心圆柱体和可移动磁力柱体；大直径空心圆柱体和小直径空心圆柱体的顶部与底部均布置小型圆柱体磁铁，所述可移动磁力柱体底部布置有一个小直径圆柱磁体，且小直径圆柱磁体与可移动磁力柱体之间留有振动间隙；
所述下部单元包括环形板单元和底座单元；所述环形板单元包括小直径环形板、中直径环形板、大直径环形板，三个环形板相互独立；所述底座单元包括一个带环形板磁力构件、小直径圆环、大直径圆环和大直径圆柱磁体；带环形板磁力构件底部嵌入大直径圆柱磁体；所述小直径圆环和大直径圆环内均设有嵌入并固定在底座单元上的小型圆柱体磁铁；
所述上部单元通过振动间隙将可移动磁力柱体插入底座单元的带环形板磁力构件，大直径空心圆柱体插入中直径环形板与大直径环形板间的空隙，小直径空心圆柱体插入中直径环形板与小直径环形板间的空隙；所述大直径空心圆柱体和小直径空心圆柱体的内环面和外环面、可移动磁力柱体的柱形外表面均涂覆有摩擦生电材料层A，小直径环形板、中直径环形板、大直径环形板的内环面和外环面均涂覆摩擦生电材料B，摩擦生电材料层A与摩擦生电材料层B为两种极性相反的材料，所述当上部单元受到轴向振动时，致使摩擦生电材料层A与摩擦生电材料层B相互摩擦，从而产生电荷与电压信号，分别达到产生电能与振动传感的目的。
进一步地，所述外部单元还包括环形保护壳，所述环形保护壳用于连接上部磁板和底座单元。
进一步地，所述环形保护壳为一整块环形板或者是若干个沿圆周均匀分布的弧形板。
进一步地，所述上部磁板为环形结构，所述可移动磁力柱体顶部具有突起的弧面，该弧面安装在上部磁板环形结构中间的孔中。
进一步地，所述大直径空心圆柱体和小直径空心圆柱体上的小型圆柱体磁铁沿圆周截面均匀布置，与上部磁板上的圆柱体磁铁位置对应、磁性相同。
进一步地，所述小直径圆环和大直径圆环上的小型圆柱体磁铁沿圆周截面均匀布置，且两圆环之间留有间隙。
进一步地，所述当上部单元受到轴向振动时，在具有相同极性的三对磁铁部件的互斥作用下上下滑动，它们分别是小型圆柱体磁铁和大直径圆柱磁体、小型圆柱体磁铁和小直径圆环、小直径圆柱磁体和大直径圆柱磁体，能够摩擦生电产生电能。
进一步地，所述摩擦生电材料层A与摩擦生电材料层B相互摩擦的厚度根据需要进行调节，若主要目的在于产生供能，则可加厚摩擦生电材料层从而加大摩擦阻力，达到自供能的目的，若主要目的在于振动传感，则减薄摩擦生电材料层从而减小摩擦阻力，增加上下部单元间的摩擦次数，达到产生更多电压信号的目的。
与现有技术相比，本发明提出的一种基于磁力与摩擦电效应的自供能结构振动监测装置，其利用互斥磁体使磁板保持长期规律的振动，并利用摩擦纳米发电概念进行振动能收集和传感。本发明解决的问题是，利用互斥磁体的作用提高磁板振荡次数，从而达到提高振动信号的产生频率和振动能量的产生效率的目的。本发明的创新之处在于，一是在结构上依靠磁力维持长期规律的振荡，从而达到较传统设计能够产生更多振动信号和能量的目的。并且可通过减少摩擦生电材料层的厚度来减少摩擦，从而增加振动信号的输出，亦可通过增加摩擦生电材料层的厚度来增加摩擦，从而增加振动能量的产生，具体选择与平衡可根据应用场景确定。二是可以实现传感监测，通过无线通讯将装置采集的数据实时传输到数据处理与预警模块，再对采集到的数据进行处理、管理和可视化操作，通过设定电压信号的阈值可以判断结构的振动情况。三是可实现装置自供能，利用摩擦纳米发电机的能量采集功能，通过设置控制电路进行电能输送和采集，设置高能电容器进行电能存储与放电，从而形成自供能的振动传感装置，替代传统的传感器与电池组合的方式，无需替换电池时的财力消耗，适用于偏远和复杂环境下的环境监测，如大桥、大坝、海上风机、海洋等。
附图说明
图1为本发明的外观示意图与外部单元分解图；
图2为本发明的上部单元示意图与分解图；
图3为本发明的下部单元示意图与分解图；
图4为本发明的应用场景示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1-3所示，一种基于磁力与摩擦电效应的自供能结构振动监测装置，包括外部单元1、上部单元2和下部单元3。
外部单元1包括上部磁板101和四块分离弧板102。
上部单元2包括大直径空心圆柱体201、小直径空心圆柱体202和可移动磁力柱体203。
下部单元3包括环形板单元301和底座单元302。
上部磁板101向装置面嵌入有两圈与上部单元2的大直径空心圆柱体201和小直径空心圆柱体202位置对应、磁性相同的小型圆柱体磁铁2010，其作用在于实现装置持续有规律地上下振动。
环形保护壳102的作用在于连接上部磁板101与底座单元302，将装置构成一个整体的同时对装置内部起到保护作用，图示仅为四块分离的保护壳板，其目的在于更好地进行展示阐述。
大直径空心圆柱体201顶部与底部均布置小型圆柱体磁铁2010，且沿圆周截面均匀布置。
小直径空心圆柱体202顶部与底部均布置小型圆柱体磁铁2020，且沿圆周截面均匀布置。
可移动磁力柱体203底部布置有一个小直径圆柱磁体2030，且该磁体与可移动磁力柱体203之间留有振动间隙2031。
环形板单元301包括小直径环形板3010、中直径环形板3011、大直径环形板3012，三个环形板相互独立。
底座单元302包括一个带环形板磁力构件3020、小直径圆环3021、大直径圆环3022、大直径圆柱磁体3023。
大直径空心圆柱体201和小直径空心圆柱体202的内环面和外环面、可移动磁力柱体203的柱形外表面均涂覆有摩擦生电材料层A，小直径环形板3010、中直径环形板3011、大直径环形板3012的内环面和外环面均涂覆摩擦生电材料B，摩擦生电材料层A与摩擦生电材料层B为两种极性相反的材料，能够通过摩擦生电。
环形板3020固定在底座单元302上，其尺寸和功用可嵌入振动间隙2031，在环形板3020处底部有嵌入底座单元302的大直径圆柱磁体3023。
小直径圆环3021和大直径圆环3022内均设有嵌入并固定在底座上的小型圆柱体磁铁2010，其沿圆周截面均匀布置，且两圆环之间留有间隙，用以连接环形板单元301与底座单元302。
当上部单元2受到轴向振动时，上部单元2通过振动间隙2031将可移动磁力柱体203插入底座单元302，大直径空心圆柱体201插入中直径环形板3011与大直径环形板3012间的空隙，小直径空心圆柱体202插入中直径环形板3011与小直径环形板3010间的空隙。在具有相同极性的三对磁铁部件的互斥作用下上下滑动，它们分别是小型圆柱体磁铁2010和大直径圆柱磁体3022、小型圆柱体磁铁2020和小直径圆环3021、小直径圆柱磁体2030和大直径圆柱磁体3023，致使摩擦生电材料层A与摩擦生电材料层B相互摩擦，从而产生电荷与电压信号，分别达到产生电能与振动传感的目的。
摩擦生电材料层A与摩擦生电材料层B相互摩擦的厚度可以根据需要进行调节，若目的在于产生供能，则可加厚摩擦生电材料层从而加大摩擦阻力，达到自供能的目的，若目的在于振动传感，则可减薄摩擦生电材料层从而减小摩擦阻力，增加上下部单元间的摩擦次数，达到产生更多电压信号的目的。
图2、图3、图4具体解释了该基于磁力与摩擦电效应的振动能采集和传感设计的工作原理，该设计包括外部单元1、上部单元2和下部单元3。外部单元1包括上部磁板101和环形保护壳102。上部单元2包括大直径空心圆柱体201、小直径空心圆柱体202和可移动磁力柱体203，它们相互独立并固定于上部磁板101，且表面涂覆摩擦生电材料层A。下部单元包括环形板单元301和底座单元302。环形板单元301包括小直径环形板3010、中直径环形板3011、大直径环形板3012，它们相互独立并固定于底座单元302，且表面涂覆摩擦生电材料层B。上部单元2与下部单元3通过独立的间隙互相嵌入，当上部单元2受到轴向振动时，在具有相同极性磁体的互斥作用下保持长期规律地上下滑动，致使摩擦生电材料层A与摩擦生电材料层B相互摩擦，从而产生电荷与电压信号，达到产生电能与振动传感的目的。
在实际应用中，如图4所示，可将该装置布置于公路桥梁上，当车辆驶过对装置上部单元2挤压后，在具有三对相同极性磁体不见的互斥作用下保持长期规律地上下滑动，它们分别是小型圆柱体磁铁2010和大直径圆柱磁体3022、小型圆柱体磁铁2020和小直径圆环3021、小直径圆柱磁体2030和大直径圆柱磁体3023，致使摩擦生电材料层A与摩擦生电材料层B两种极性相反的材料相互摩擦，其中，摩擦生电材料层A涂覆在大直径空心圆柱体201和小直径空心圆柱体202的内环面和外环面、可移动磁力柱体203的柱形外表面，摩擦生电材料层B涂覆在小直径环形板3010、中直径环形板3011、大直径环形板3012的内环面和外环面，从而产生电荷与电压信号，达到产生电能与振动传感的目的。
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)

1.一种基于磁力与摩擦电效应的自供能结构振动监测装置，其特征在于，该装置包括外部单元(1)、上部单元(2)和下部单元(3)；
所述外部单元(1)包括上部磁板(101)；所述上部磁板(101)嵌入有两圈小型圆柱体磁铁(2010)；
所述上部单元(2)包括大直径空心圆柱体(201)、小直径空心圆柱体(202)和可移动磁力柱体(203)；大直径空心圆柱体(201)和小直径空心圆柱体(202)的顶部与底部均布置小型圆柱体磁铁(2010)，所述可移动磁力柱体(203)底部布置有一个小直径圆柱磁体(2030)，且小直径圆柱磁体(2030)与可移动磁力柱体(203)之间留有振动间隙(2031)；
所述下部单元(3)包括环形板单元(301)和底座单元(302)；所述环形板单元(301)包括小直径环形板(3010)、中直径环形板(3011)、大直径环形板(3012)，三个环形板相互独立；所述底座单元(302)包括一个带环形板磁力构件(3020)、小直径圆环(3021)、大直径圆环(3022)和大直径圆柱磁体(3023)；带环形板磁力构件(3020)底部嵌入大直径圆柱磁体(3023)；所述小直径圆环(3021)和大直径圆环(3022)内均设有嵌入并固定在底座单元(302)上的小型圆柱体磁铁(2010)；
所述上部单元(2)通过振动间隙(2031)将可移动磁力柱体(203)插入底座单元(302)的带环形板磁力构件(3020)，大直径空心圆柱体(201)插入中直径环形板(3011)与大直径环形板(3012)间的空隙，小直径空心圆柱体(202)插入中直径环形板(3011)与小直径环形板(3010)间的空隙；所述大直径空心圆柱体(201)和小直径空心圆柱体(202)的内环面和外环面、可移动磁力柱体(203)的柱形外表面均涂覆有摩擦生电材料层A，小直径环形板(3010)、中直径环形板(3011)、大直径环形板(3012)的内环面和外环面均涂覆摩擦生电材料B，摩擦生电材料层A与摩擦生电材料层B为两种极性相反的材料，所述当上部单元(2)受到轴向振动时，致使摩擦生电材料层A与摩擦生电材料层B相互摩擦，从而产生电荷与电压信号，分别达到产生电能与振动传感的目的。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁力与摩擦电效应的自供能结构振动监测装置，其特征在于，所述外部单元(1)还包括环形保护壳(102)，所述环形保护壳(102)用于连接上部磁板(101)和底座单元(302)。
3.根据权利要求2所述的一种基于磁力与摩擦电效应的自供能结构振动监测装置，其特征在于，所述环形保护壳(102)为一整块环形板或者是若干个沿圆周均匀分布的弧形板。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁力与摩擦电效应的自供能结构振动监测装置，其特征在于，所述上部磁板(101)为环形结构，所述可移动磁力柱体(203)顶部具有突起的弧面，该弧面安装在上部磁板(101)环形结构中间的孔中。
5.根据权利要求1所述的一种基于磁力与摩擦电效应的自供能结构振动监测装置，其特征在于，所述大直径空心圆柱体(201)和小直径空心圆柱体(202)上的小型圆柱体磁铁(2010)沿圆周截面均匀布置，与上部磁板(101)上的圆柱体磁铁(2010)位置对应、磁性相同。
6.根据权利要求1所述的一种基于磁力与摩擦电效应的自供能结构振动监测装置，其特征在于，所述小直径圆环(3021)和大直径圆环(3022)上的小型圆柱体磁铁(2010)沿圆周截面均匀布置，且两圆环之间留有间隙。
7.根据权利要求11所述的一种基于磁力与摩擦电效应的自供能结构振动监测装置，其特征在于，所述当上部单元(2)受到轴向振动时，在具有相同极性的三对磁铁部件的互斥作用下上下滑动，它们分别是小型圆柱体磁铁(2010)和大直径圆柱磁体(3022)、小型圆柱体磁铁(2020)和小直径圆环(3021)、小直径圆柱磁体(2030)和大直径圆柱磁体(3023)，能够摩擦生电产生电能。
8.根据权利要求1所述的一种基于磁力与摩擦电效应的自供能结构振动监测装置，其特征在于，所述摩擦生电材料层A与摩擦生电材料层B相互摩擦的厚度根据需要进行调节，若主要目的在于产生供能，则可加厚摩擦生电材料层从而加大摩擦阻力，达到自供能的目的，若主要目的在于振动传感，则减薄摩擦生电材料层从而减小摩擦阻力，增加上下部单元间的摩擦次数，达到产生更多电压信号的目的。
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