CN203690969U - 自驱动飞行监测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种自驱动飞行监测器，包括纳米发电机（1）、整流桥（2）、摄像头（3）、蓄电池（4）和单刀双掷时间继电器开关（5），当单刀双掷时间继电器开关（5）的第一端（a）闭合时，纳米发电机（1）、整流桥（2）、蓄电池（4）和单刀双掷时间继电器开关（5）串联构成一个回路，纳米发电机在外力作用下形变产生电能，对蓄电池（4）进行充电；当单刀双掷时间继电器开关（5）的第二端（b）闭合时所述蓄电池（4）、摄像头（3）和单刀双掷时间继电器开关（5）串联构成一个回路，蓄电池（4）放电，摄像头（3）在蓄电池（4）释放的电信号驱动下工作。
Description
技术领域
本实用新型涉及压电及安全、环境等监测领域，具体涉及一种自驱动飞行监测器，该监测器利用纳米发电机将机械能转变为电能来进行自驱动，实现由机械能转化为电能的自驱动监测。
背景技术
安全监控、环境监控等监测设备已经普遍存在于我们的日常生活中，通常所见的监测器是将监控器固定在某位置，进行实时监控。由于监测器的不可移动性，所以每台监测器只能进行有限视野的监控，而要想实现全方位、无死角的监控则需花费大量的人力物力。另外，现有的监测器都需要通过外部电源进行供电，使用起来不够方便。
因此，有必要设计一种可移动的监测器，能方便的实现全方位、无死角的监控，并且能够节约电能。
实用新型内容
为了克服现有技术中存在的上述缺陷，本实用新型提出了一种自驱动飞行监测器，该监测器利用纳米发电机将机械能转变为电能为检测器件提供电源。
本实用新型提供的自驱动飞行监测器包括纳米发电机、整流桥、摄像头、蓄电池和单刀双掷时间继电器开关，当单刀双掷时间继电器开关的第一端a闭合时，所述纳米发电机、整流桥、蓄电池和单刀双掷时间继电器开关串联构成一个回路，当单刀双掷时间继电器开关的第二端b闭合时所述蓄电池、摄像头和单刀双掷时间继电器开关串联构成一个回路，当单刀双掷时间继电器开关的第一端a闭合时，所述纳米发电机在压力作用下将机械能转化为电能，以产生交流电信号，所述整流桥将所述纳米发电机产生的交流电信号整流为直流信号，所述蓄电池将整流后的直流信号储存起来；当单刀双掷时间继电器开关的第二端b闭合时，所述蓄电池放电，摄像头在蓄电池释放的电信号驱动下工作，对外界环境进行监控。
优选地，纳米发电机安装在飞鸟的翅膀上，当飞鸟的翅膀活动时，为该材料发电机提供压力，使该发电机产生形变从而将机械能转化为电能。
优选地，纳米发电机为压电材料发电机或者摩擦纳米发电机。
优选地，纳米发电机是通过在柔性基底上生长氧化锌纳米线形成。
优选地，柔性基底为超薄Kapton膜。
优选地，摩擦发电机包括：弯曲的柔性基底，所述基底的外表面即凸起表面制备有电极层，在所述基底内表面即凹陷表面帖合有高分子薄膜层，与所述高分子薄膜层边缘粘贴有金属薄膜，金属薄膜的面积与高分子薄膜的面积相当，所述金属薄膜的边缘与所述高分子薄膜的边缘粘贴后金属薄膜与所述高分子薄膜之间形成拱形空腔。
优选地，弯曲的柔性基底包括有机物衬底和弯曲动力层，在弯曲动力层的作用下有机物衬底形成拱形弯曲。
优选地，弯曲的柔性基底是采用单层有机物的结构，将有机物制备为弯曲形状的柔性单层有机物。
优选地，高分子薄膜是聚对二甲基硅氧烷PDMS、聚四氟乙烯Teflon，聚氯乙烯PVC，聚三氟氯乙烯，或者聚酰亚胺Kapton中任一种；金属薄膜是铝箔、铜、银、镍、铁中任一种薄膜，基底中的有机物衬底和弯曲动力层具有不同的热膨胀系数，在室温时基底呈现弯曲状态。
优选地，利用表面沉积有金属膜的有机物衬底代替金属薄膜，在外加应力作用下高分子薄膜和有机物表面的金属膜接触。
优选地，利用PDMS对纳米发电机进行封装。
优选地，所述单刀双掷时间继电器开关的第一端闭合时间与第二端闭合时间的比例为1-3比1。
根据本实用新型的自驱动飞行监测器，其利用具有压电性质的纳米线来将机械能转换为电能，或者是摩擦电纳米发电机提供电能，以供监测器工作，从而实现了自驱动的监测器，与传统监测器相比，本实用新型的监测器无需外加电源或电池的辅助，完全可以实现自供电。该监测器节能环保，可以持久工作而不用担心更换电池。另一方面，将这一监测器安置于飞鸟身上，利用飞鸟飞行来实现移动的全方位的监测。
附图说明
图1是本实用新型的自驱动监测器的结构示意图；
图2为压电纳米发电机的结构示意图；
图3为摩擦电纳米发电机的结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。
本实用新型的自驱动飞行监测器利用飞鸟各处飞行这一天然特性，实现了一种可移动监测器。同时收集飞鸟飞行时翅膀与肢体的运动产生的机械能，利用压电效应或摩擦电效应将其转换成电能来驱动监测器运行，从而实现了一个自驱动飞行监测器。
具体地，本实用新型的基本原理是将发电机置于飞鸟翅膀上，监测器的摄像头安置于飞鸟头部。该系统利用单刀双掷时间继电器开关调控两个回路按预设定好的时间交替工作，按照单刀双掷时间继电器开关的第一端（a）闭合时间（即充电时间）与第二端（b）闭合时间（即放电时间）的比例大约为1-3:1的比例进行设定，例如可预先设定继电器开关a端闭合1～3小时，然后开关转换为b端闭合0.5～1小时，当单刀双掷时间继电器开关第一端a闭合时，飞鸟飞行过程中翅膀扇动使发电机产生形变，从而输出交流脉冲电流，并将交流电通过整流桥转化为直流电存储在蓄电池中；预设定时间过后，单刀双掷时间继电器开关由第一端a闭合转换为第二端b闭合，蓄电池释放存储的电能，供摄像头工作。该系统收集飞鸟飞行过程中产生的机械能，节约能源，绿色环保。同时又利用飞鸟飞行移动的特性来实现移动监控。
图1是本实用新型的自驱动飞行监测器的结构示意图，如图1所示，所述自驱动飞行监测器包括纳米发电机1、整流桥2、摄像头3、蓄电池4和单刀双掷时间继电器开关5，当单刀双掷时间继电器开关5的第一端a闭合时，所述纳米发电机1、整流桥2、蓄电池4和单刀双掷时间继电器开关5串联构成一个回路，当单刀双掷时间继电器开关5的第二端b闭合时所述蓄电池4、摄像头3和单刀双掷时间继电器开关5串联构成一个回路。
当单刀双掷时间继电器开关5的第一端a闭合时，所述纳米发电机1用于在飞鸟翅膀扇动下产生形变，将机械能转化为电能，以产生交流电信号，所述整流桥2将所述压电材料发电机1产生的交流电信号整流为直流信号，所述蓄电池4将整流后的直流信号储存起来；当单刀双掷时间继电器开关5的第二端b闭合时，所述蓄电池4放电、摄像头3在蓄电池4释放的电信号驱动下工作，对外界环境进行监控。
根据本实用新型的一实施例，纳米发电机1选用压电材料纳米发电机。压电材料纳米发电机1的典型结构参见图2，包括从下至上层叠紧密接触的衬底10、底电极11、压电材料层12、介质层13和顶电极14。衬底10优选为柔性材料，能够随着飞鸟拍打翅膀而变形。顶电极14和底电极11优选为薄膜材料，可以选择常规的电极材料，例如可以选自金属、导电氧化物和导电高分子。金属可以选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金。介电层13的材料可以为聚合物，如PMMA聚甲基丙烯酸甲酯、PI聚亚酰胺、PET聚对苯二甲酸乙二醇酯、PS聚苯乙烯等。压电材料层12的材料可以为任何压电薄膜或压电纳米结构材料，例如：ZnO、Pb(Zr,Ti)O3、BaTiO3 CdS、InN、InGaN、ZnSnO3或GaN等的薄膜、纳米线或纳米棒等，优选为ZnO、GaN等纤锌矿结构压电材料的纳米线，压电材料层12更优选为ZnO纳米线阵列，所述纳米线的两端分别与介电层13和底电极11连接。顶电极和底电极层上利用银浆分别固定导线作为电信号输出端。以压电材料层12采用ZnO纳米线为例，当飞鸟拍打翅膀使衬底10发生形变时，ZnO纳米线会产生形变，在ZnO纳米线两端产生压电电势，该电势可驱动电子在外电路中流动，当单刀双掷时间继电器开关5的第一端a闭合时，可以将飞鸟拍打翅膀的机械能转变为电能储存在蓄电池4中。根据本实用新型的另一实施例，纳米发电机1可以选用摩擦纳米发电机。本实用新型可以采用的摩擦纳米发电机有多种选择，优选为接触型摩擦纳米发电机。
图3为本实用新型中摩擦纳米发电机的结构示意图。摩擦纳米发电机包括：弯曲的柔性基底包括有机物衬底21和弯曲动力层22，在弯曲动力层22的作用下有机物衬底21形成拱形弯曲，所述基底的外表面凸起表面制备有电极层24，贴合在所述基底内表面凹陷表面的高分子薄膜层23，与所述高分子薄膜层23边缘粘贴的金属薄膜25，金属薄膜25的面积与高分子薄膜23的面积相当，即面积基本相同，所述金属薄膜25的边缘与所述高分子薄膜23的边缘粘贴后金属薄膜25与所述高分子薄膜23之间形成拱形空腔26，金属薄膜25与高分子薄膜23边缘处的距离较小，中心处的距离较大；其中，高分子薄膜层23和金属薄膜25具有不同的得电子能力，也就是说，两种材料相接触时一个带正电，一个带负电，即这两种材料的得电子能力不同。例如，高分子材料聚对二甲基硅氧烷PDMS与金属材料铝箔接触时铝箔带正电，即得电子能力较弱，聚对二甲基硅氧烷PDMS带负电，即得电子能力较强。贴合在基底内表面的高分子薄膜层23也具有弯曲的表面。高分子薄膜23的边缘和金属薄膜25的边缘通过绝缘胶粘面对面贴合在一起，互相之间没有直接接触。高分子薄膜与金属薄膜的面积最好相同。
高分子薄膜23可以为聚对二甲基硅氧烷PDMS、聚四氟乙烯Teflon，聚氯乙烯PVC，聚三氟氯乙烯，或者聚酰亚胺Kapton等高分子薄膜；金属薄膜25可以为铝箔、铜、银、镍、铁或钢等金属薄膜，优选铝箔，也可以是用蒸镀或溅射等工艺沉积在其他衬底表面的金属膜，例如，用表面沉积有金属膜的有机物衬底代替金属薄膜，在外加应力作用下高分子薄膜和有机物表面的金属膜接触；电极层24为金膜等常规电极材料，具体可使用磁控溅射蒸镀一薄层铜或金形成电极；基底中的有机物衬底21可以为聚酰亚胺等有机物，弯曲动力层22可以为二氧化硅等材料，只要保证有机物衬底21和弯曲动力层22具有不同的热膨胀系数，保证在室温时基底呈现弯曲状态即可。
各材料厚度没有具体限定，尽量越薄越好，这样利于维持发电机的柔性，易于和飞鸟翅膀紧密粘贴，采集机械运动的信号。
对于上述包括有机物衬底21和弯曲动力层22的双层结构的柔性基底，以有机物衬底21是聚酰亚胺Kapton，弯曲动力层22是SiO2为例，弯曲的有机物衬底21的形成过程为：利用等离子增强化学气相沉积方法等高温例如250℃方法在平面的聚酰亚胺Kapton衬底上表面镀一层二氧化硅薄膜，由于聚酰亚胺与二氧化硅的热膨胀系数不同，待聚酰亚胺衬底冷却至室温后，自然形成图3中弯曲的柔性基底。弯曲动力层22的作用是使柔性基底在自然状态下变得弯曲。
根据本实用新型的一实施例，弯曲的柔性基底也可以采用单层有机物的结构，例如硅胶、聚酰亚胺等可以制备为弯曲形状的柔性有机物。
另外，高分子薄膜层23与金属薄膜25表面基本为光滑表面，当对薄膜层和/或金属薄膜表面通过等离子体刻蚀进行表面修饰后，可以提高静电发电机接触起电过程中产生的电荷密度。
在飞鸟拍打翅膀的外力F挤压下，高分子薄膜层23与金属薄膜25接触，撤去外力F时，由于弯曲的柔性基底弹性回复，高分子薄膜层23与金属薄膜25分离，在周期性拍打翅膀的外力作用下，高分子薄膜层23与金属薄膜25周期性的接触和分离，可以在电极层24上电极和金属薄膜25下电极之间形成周期性的电信号。导线27和28分别从电极层24和金属薄膜25引出，作为发电机的电信号输出端。
当然，除了将检测器的置于飞鸟上，本实用新型的检测器也可以应用在其他飞行器上，将纳米发电机设置在飞行器的可活动部位，用于收集机械能将其变为电能。本实用新型提出的监测器利用可以将机械能转变为电能的纳米发电机来产生电能，其既符合环保节能要求，同时也充分利用了平时被人们忽略掉的周围环境中的机械能，是新型监测器的发展趋势。
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种自驱动飞行监测器，其特征在于，该监测器包括纳米发电机(1)、整流桥(2)、摄像头(3)、蓄电池(4)和单刀双掷时间继电器开关(5)，当单刀双掷时间继电器开关(5)的第一端(a)闭合时，所述纳米发电机(1)、整流桥(2)、蓄电池(4)和单刀双掷时间继电器开关(5)串联构成回路；当单刀双掷时间继电器开关(5)的第二端(b)闭合时所述蓄电池(4)、摄像头(3)和单刀双掷时间继电器开关(5)串联构成回路；
当单刀双掷时间继电器开关(5)的第一端(a)闭合时，所述纳米发电机(1)在压力作用下将机械能转化为电能，以产生交流电信号；所述整流桥(2)将所述纳米发电机(1)产生的交流电信号整流为直流信号；所述蓄电池(4)将整流后的直流信号储存起来；
当单刀双掷时间继电器开关(5)的第二端(b)闭合时，所述蓄电池(4)放电，摄像头(3)在蓄电池(4)释放的电信号驱动下工作。
2.根据权利要求1所述的自驱动飞行监测器，其特征在于，所述纳米发电机(1)安装在飞鸟的翅膀上，当飞鸟的翅膀活动时，为该纳米发电机(1)提供压力，使该发电机产生形变从而将机械能转化为电能。
3.根据权利要求1所述的自驱动飞行监测器，其特征在于，所述纳米发电机(1)为压电材料发电机或者摩擦纳米发电机。
4.根据权利要求3所述的自驱动飞行监测器，其特征在于，所述纳米发电机(1)通过在柔性基底上生长氧化锌纳米线形成。
5.根据权利要求4所述的自驱动飞行监测器，其特征在于，所述柔性基底为超薄Kapton膜。
6.根据权利要求3所述的自驱动飞行监测器，其特征在于，所述摩擦纳米发电机包括：弯曲的柔性基底，所述基底的外表面即凸起表面制备有电极层(24)，在所述基底内表面即凹陷表面贴合有高分子薄膜层(23)，与所述高分子薄膜层(23)边缘粘贴有金属薄膜(25)，金属薄膜(25)的面积与高分子薄膜(23)的面积相当，所述金属薄膜(25)的边缘与所 述高分子薄膜(23)的边缘粘贴后金属薄膜(25)与所述高分子薄膜(23)之间形成拱形空腔(26)。
7.根据权利要求6所述的自驱动飞行监测器，其特征在于，弯曲的柔性基底包括有机物衬底(21)和弯曲动力层(22)，在弯曲动力层(22)的作用下有机物衬底(21)形成拱形弯曲。
8.根据权利要求7所述的自驱动飞行监测器，其特征在于，高分子薄膜(23)是聚对二甲基硅氧烷PDMS、聚四氟乙烯Teflon，聚氯乙烯PVC，聚三氟氯乙烯，或者聚酰亚胺Kapton中任一种；金属薄膜(25)是铝箔、铜、银、镍、铁中任一种薄膜，基底中的有机物衬底(201)和弯曲动力层(22)具有不同的热膨胀系数，在室温时基底呈现弯曲状态。
9.根据权利要求1-8任一项所述的自驱动飞行监测器，其特征在于，利用表面沉积有金属膜的有机物衬底代替金属薄膜(25)，在外加应力作用下高分子薄膜和有机物表面的金属膜接触。
10.根据权利要求1-8任一项所述的自驱动飞行监测器，其特征在于，利用PDMS对纳米发电机进行封装。
11.根据权利要求1-8任一项所述的自驱动飞行监测器，其特征在于，所述单刀双掷时间继电器开关的第一端(a)闭合时间与第二端(b)闭合时间的比例为1-3比1。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201320809375.3U CN203690969U (zh) | 2013-12-10 | 2013-12-10 | 自驱动飞行监测器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201320809375.3U CN203690969U (zh) | 2013-12-10 | 2013-12-10 | 自驱动飞行监测器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN203690969U true CN203690969U (zh) | 2014-07-02 |
Family
ID=51012833
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201320809375.3U Expired - Lifetime CN203690969U (zh) | 2013-12-10 | 2013-12-10 | 自驱动飞行监测器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN203690969U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105645522A (zh) * | 2014-12-02 | 2016-06-08 | 北京纳米能源与系统研究所 | 一种自驱动海水淡化和海水电解的装置及方法 |
-
2013
- 2013-12-10 CN CN201320809375.3U patent/CN203690969U/zh not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105645522A (zh) * | 2014-12-02 | 2016-06-08 | 北京纳米能源与系统研究所 | 一种自驱动海水淡化和海水电解的装置及方法 |
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