CN114755448A - 基于卡门涡街效应和摩擦纳米发电的水流流速传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于卡门涡街效应和摩擦纳米发电的水流流速传感器，包括用于产生涡街效应钝体和沿水流方向设置于钝体后方的用于水流能量收集的柔性摩擦纳米发电机单元，所述钝体和柔性摩擦纳米发电机单元形成悬臂结构，所述柔性摩擦纳米发电机单元为片状结构包括电极层、设置于电极层上的隔绝层和设置于隔绝曾上的摩擦层，以及用于外部封装的外框密封层，所述隔绝层和摩擦层之间具有多个等间距空隙以形成空气层，柔性摩擦纳米发电机单元在静止状态下隔绝层和摩擦层相互分离，在涡街作用下接触分离，所述电极层表面粘贴有电源输出导线；以解决传感器需外接电源和难以实现慢速流速测量的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及水流流速传感器领域，具体涉及一种基于卡门涡街效应和摩擦纳米发电的水流流速传感器。
背景技术
水流速度的测量对于研究水流运动规律和管道液体流动情况有着非常重要的意义。因而，水流速度测量技术也受人们重视。目前大管径流量计已经较为成熟，超声波式以及电磁式在大口径高流速下测量精度较高。但对于小口径慢速流量测量，目前的市场主要使用的是电子式流量计。它们多见于生活用水计量，使用范围广。但电子式流量计大多使用电池供电，电池的大量使用与废弃就会带来环境污染以及能源消耗的问题。因此社会就有了对自供能流量计的迫切需求。过去十年里，摩擦纳米发电(triboelectricnanogenerator，TENG)技术的基于其优异的宽频振动能量采集特点在自供能领域大放异彩。基于摩擦起电和静电感应的耦合，该项技术能够高效的将环境中的机械能转化为电能。目前一些研究者设计了许多采集水流能量的摩擦纳米发电机，但存在水流启动频率高，不易于制作传感器等弊端，难以满足自供能水流速测量的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于卡门涡街效应和摩擦纳米发电的水流流速传感器，以解决传感器需外接电源和难以实现慢速流速测量的技术问题。
本发明的基于卡门涡街效应和摩擦纳米发电的水流流速传感器，包括用于产生涡街效应钝体和沿水流方向设置于钝体后方的用于水流能量收集的柔性摩擦纳米发电机单元，所述钝体和柔性摩擦纳米发电机单元形成悬臂结构，所述柔性摩擦纳米发电机单元为片状结构包括电极层、设置于电极层上的隔绝层和设置于隔绝曾上的摩擦层，以及用于外部封装的外框密封层，所述隔绝层和摩擦层之间具有多个等间距空隙以形成空气层，柔性摩擦纳米发电机单元在静止状态下隔绝层和摩擦层相互分离，在涡街作用下接触分离，所述电极层表面粘贴有电源输出导线；
进一步，所述隔绝层和摩擦层之间通过设置柔性隔离带分离出多个等间距空隙形成多个空气层；
进一步，所述柔性隔离带为聚丙烯酸酯胶条，在隔绝层和摩擦层之间通过等距粘贴聚丙烯酸酯胶条形成多个形状大小相同的空隙；
进一步，所述空隙形状为矩形；
进一步，所述电极层为硅碳混合物材料，所述隔绝层位PET薄膜，所述摩擦层为PTFE薄膜，所述外框密封层为柔性硅胶；
进一步，所述外框密封层的柔性硅胶分别通过下述方式制备：
柔性硅胶的制备：将双组分硅胶A组分和B组分混合后机械搅拌形成用于外框密封层的柔性硅胶；
硅碳混合物材料的制备：将双组分硅胶A组分和B组分与硅碳混合物混合后机械搅拌形成硅碳混合物材料；
进一步，所述将双组分硅胶的A组分为硅胶；B溶液为固化剂；
进一步，所述柔性硅胶和硅碳混合物材料中A组分与B组分的质量比均为1：1，搅拌时间均为10-15分钟；所述硅碳混合物中按质量比硅：碳＝10：1；
进一步，所述摩擦层和绝缘层的厚度均不大于0.1mm；所述摩擦层长度、宽度均略小于隔绝层设置，所述柔性摩擦纳米发电机单元总厚度不大于1mm；
进一步，所述柔性摩擦纳米发电机单元形状为长方形，所述柔性摩擦纳米发电机单元以宽度两端套接于钝体上并可在钝体产生的涡街作用下摆动，所述钝体为圆柱体。
本发明的有益效果是：本发明公开的基于卡门涡街效应和摩擦纳米发电的水流流速传感器，在用于流速传感时，通过解析摩擦纳米发电单位产生电信号实现测速，避免了外接电源并造成污染，以达到自供能器件的实现；具有极高的灵敏度，能分辨微小流速变化，实现低速水流状态下的流速检测，同时具有自供能特点，避免了外接电源的掣肘。该器件启动频率低，对于低速流量的测量也可达到较高的精度要求；整体器件成本较低，制作简单，经济效益高且环保。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的水流流速传感器结构示意图；
图2为本发明的柔性摩擦纳米发电机单元结构层示意图；
图3为本发明的柔性摩擦纳米发电机单元的剖面结构示意图。
具体实施方式
图1为本发明的水流流速传感器结构示意图；图2为本发明的柔性摩擦纳米发电机单元结构层示意图；图3为本发明的柔性摩擦纳米发电机单元的剖面结构示意图。如图所示：本实施例的基于卡门涡街效应和摩擦纳米发电的水流流速传感器，包括用于产生涡街效应钝体2和沿水流方向设置于钝体2后方的用于水流能量收集的柔性摩擦纳米发电机单元1，所述钝体2和柔性摩擦纳米发电机单元1形成悬臂结构，所述柔性摩擦纳米发电机单元1为片状结构包括电极层102、设置于电极层102上的隔绝层103和设置于隔绝曾上的摩擦层105，以及用于外部封装的外框密封层，所述隔绝层103和摩擦层105之间具有多个等间距空隙以形成空气层，柔性摩擦纳米发电机单元1在静止状态下隔绝层103和摩擦层105相互分离，在涡街作用下接触分离，所述电极层102表面粘贴有电源输出导线。隔绝层103用于隔绝电极层102与摩擦层105，防止接触分离时发生粘连；空气层在隔绝层103与摩擦层105之间，保证器件可以产生接触分离。空气层间距保证在微小的力的作用下摩擦层105与隔绝层103相互接触到，同时在静止状态又相互分离。摩擦层105的表面还可采用等离子刻蚀等方法进行处理。以增大摩擦材料之间的接触面积，从而使输出效果更加显著。柔性摩擦纳米发电机单元1的器件内部(依次为电极层102、隔绝层103、空气层、摩擦层105)搭建好后进行外部封装，外框密封层要求密封性和柔韧性，同时器件前方连接一个设置好的钝体2，器件在水下工作时，由于卡门涡街效应，水流通过钝体2形成涡旋，带动柔性器件摆动，摩擦层105和隔绝层103不断接触分离通过电极输出，实现自供能的同时对器件输出频率分析得到当前水流的流速。
本发明的柔性摩擦纳米发电机单元1整体具有柔性和韧性，为接触分离式器件。所述水流流速传感器利用卡门涡街效应使器件能在微弱的水流中进行接触分离并产生电学输出，最后将输出电信号进行解析，通过频率关系得到当前水流的流速。具有极高的灵敏度，能分辨微小流速变化，实现低速水流状态下的流速检测，同时具有自供能特点，避免了外接电源的掣肘，具有环保、制造简单、成本低廉等优势。
本实施例中，所述隔绝层103和摩擦层105之间通过设置柔性隔离带104分离出多个等间距空隙形成多个空气层；所述柔性隔离带104为聚丙烯酸酯胶条，在隔绝层103和摩擦层105之间通过等距粘贴聚丙烯酸酯胶条形成多个形状大小相同的空隙；空气层间距保证在微小的力的作用下摩擦层105与隔绝层103相互接触到，同时在静止状态又相互分离，受到涡街作用接触分离；柔性隔离带104可用较薄的VHB胶带(聚丙烯酸酯胶带)，VHB胶带要平行于隔绝层103和/或摩擦层105竖向边缘竖向间隔贴形成竖向间隔胶条，且沿竖向间隔胶条横向连接形成横向连接胶条，保证器件可以检测到各个部分的接触分离情况的同时增加接触面积。优选为所述空隙形状为矩形。
本实施例中，所述电极层102为硅碳混合物材料，所述隔绝层103位PET薄膜，所述摩擦层105为PTFE薄膜，所述外框密封层为柔性硅胶；可通过振动镀膜法将其均匀贴于柔性硅胶内层，且可相对增加碳粉的比例以使电极层102导电性能更佳。柔性硅胶外框密封层保证密封性和柔韧性。
本实施例中，所述外框密封层的柔性硅胶分别通过下述方式制备：
柔性硅胶的制备：将双组分硅胶A组分(硅胶)和B组分(固化剂)混合后机械搅拌形成用于外框密封层的柔性硅胶；
硅碳混合物材料的制备：将双组分硅胶A组分(硅胶)和B组分(固化剂)与硅碳混合物混合后机械搅拌形成硅碳混合物材料。
本实施例中，所述将双组分硅胶的A组分为硅胶；B溶液为固化剂。固化剂采用常规的硅胶固化剂，如缩聚型双组份硅橡胶(RTV-2)交联剂。
本实施例中，所述柔性硅胶和硅碳混合物材料中A组分(硅胶)与B组分(固化剂)的质量比均为1：1，搅拌时间均为10-15分钟；所述硅碳混合物中按质量比硅：碳＝10：1。制备方法简单可控,可相对增加碳的比例以使电极层102导电性能更佳。。
本实施例中，所述摩擦层105和绝缘层的厚度均不大于0.1mm；隔绝层103要完全覆盖电极层102。所述摩擦层105长度、宽度均略小于隔绝层103设置；摩擦层105长度、宽度均略小于隔绝层103，防止两者外部边缘误触发生电极击穿等干扰输出。所述柔性摩擦纳米发电机单元1总厚度不大于1mm；保障在涡街效应下器件可实现明显的接触分离。
本实施例中，所述柔性摩擦纳米发电机单元1形状为长方形，所述柔性摩擦纳米发电机单元1以宽度两端套接于钝体2上并可在钝体2产生的涡街作用下摆动，所述钝体2为圆柱体，也可以为其他形状。
具体实施例：
首先将柔性硅胶AB组分1：1混合，搅拌15min，搅拌完成后用滴管缓慢将硅胶液滴入模具(150mm×70mm)中，将模具放入真空泵中抽真空10min，取出模具放入60℃恒温箱中烘烤45min得到硅胶底板101，再将前混好的硅胶与碳粉按质量比10：1的比例混合，匀速搅拌至粘稠后通过振动渡膜法将其均匀铺在冷却完成后的硅胶底板上，硅碳层略小于硅胶底板。形成硅碳层102长宽为100mm×40mm。待完全附着后，将剪切好的PET薄膜103(聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜)120mm×50mm粘贴于硅碳表面。
借用激光切割，将VHB胶带104(聚丙烯酸酯胶带)切割为90mm×35mm，其中在中间切割出7mm×30mm的孔9个，其中孔间间距2mm。将切割好的聚丙烯酸酯胶带104贴合于硅碳表面。
剪切一块90mm×35mm的PTFE膜105(聚四氟乙烯薄膜)作为摩擦层，紧密贴合于104聚丙烯酸酯胶带表面。
将混合好的硅橡胶注入模具中对上述制作好的材料进行顶层硅胶封装106，待硅胶固化后即可脱模得到一种基于卡门涡街效应和摩擦纳米发电技术的水流流速传感器.固化温度为60℃，时间为60min。
最后将器件的短边通过粘性胶带附着于钝体上。
其中，102硅碳层中粘贴有输出导线用于得到输出数据。
当器件在水中静置时，无水流影响器件整体保持平整，由于中间104VHB胶带(聚丙烯酸酯胶带)形成空气层，上下PET薄膜103(聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜)与PTFE膜105(聚四氟乙烯薄膜)不会接触；当水流流动时，经钝体并在其后侧形成涡旋，器件受涡旋冲刷摆动，由于摆动时前后材料发生形变，PTFE膜105(聚四氟乙烯薄膜)与PET薄膜103(聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜)接触分离产生电能。由于不同频率的水流使得器件在不同位置的形变不同，摆动的频率也不同，因而器件的输出电压和输出电流的频率也就不同，通过频率对应关系，就可以得到当前水流流速。如此，基于卡门涡街效应和摩擦纳米发电技术的水流流速传感器的一个工作行程结束。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种基于卡门涡街效应和摩擦纳米发电的水流流速传感器，其特征在于：包括用于产生涡街效应钝体和沿水流方向设置于钝体后方的用于水流能量收集的柔性摩擦纳米发电机单元，所述钝体和柔性摩擦纳米发电机单元形成悬臂结构，所述柔性摩擦纳米发电机单元为片状结构包括电极层、设置于电极层上的隔绝层和设置于隔绝曾上的摩擦层，以及用于外部封装的外框密封层，所述隔绝层和摩擦层之间具有多个等间距空隙以形成空气层，柔性摩擦纳米发电机单元在静止状态下隔绝层和摩擦层相互分离，在涡街作用下接触分离，所述电极层表面粘贴有电源输出导线。
2.根据权利要求1所述的基于卡门涡街效应和摩擦纳米发电的水流流速传感器，其特征在于：所述隔绝层和摩擦层之间通过设置柔性隔离带分离出多个等间距空隙形成多个空气层。
3.根据权利要求2所述的基于卡门涡街效应和摩擦纳米发电的水流流速传感器，其特征在于：所述柔性隔离带为聚丙烯酸酯胶条，在隔绝层和摩擦层之间通过等距粘贴聚丙烯酸酯胶条形成多个形状大小相同的空隙。
4.根据去案例要求3所述的基于卡门涡街效应和摩擦纳米发电的水流流速传感器，其特征在于：所述空隙形状为矩形。
5.根据权利要求4所述的基于卡门涡街效应和摩擦纳米发电的水流流速传感器，其特征在于：所述电极层为硅碳混合物材料，所述隔绝层位PET薄膜，所述摩擦层为PTFE薄膜，所述外框密封层为柔性硅胶。
6.根据权利要求5所述的基于卡门涡街效应和摩擦纳米发电的水流流速传感器，其特征在于：所述外框密封层的柔性硅胶分别通过下述方式制备：
柔性硅胶的制备：将双组分硅胶A组分和B组分混合后机械搅拌形成用于外框密封层的柔性硅胶；
硅碳混合物材料的制备：将双组分硅胶A组分和B组分与硅碳混合物混合后机械搅拌形成硅碳混合物材料。
7.根据权利要求6所述的基于卡门涡街效应和摩擦纳米发电的水流流速传感器，其特征在于：所述将双组分硅胶的A组分为硅胶；B组分为固化剂。
8.根据权利要求7所述的基于卡门涡街效应和摩擦纳米发电的水流流速传感器，其特征在于：所述柔性硅胶和硅碳混合物材料中A组分与B组分的质量比均为1：1，搅拌时间均为10-15分钟；所述硅碳混合物中按质量比硅：碳＝10：1。
9.根据权利要求8所述的基于卡门涡街效应和摩擦纳米发电的水流流速传感器，其特征在于：所述摩擦层和绝缘层的厚度均不大于0.1mm；所述摩擦层长度、宽度均略小于隔绝层设置，所述柔性摩擦纳米发电机单元总厚度不大于1mm。
10.根据权利要求7所述的基于卡门涡街效应和摩擦纳米发电的水流流速传感器，其特征在于：所述柔性摩擦纳米发电机单元形状为长方形，所述柔性摩擦纳米发电机单元以宽度两端套接于钝体上并可在钝体产生的涡街作用下摆动，所述钝体为圆柱体。
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