CN212391108U - 一种用于监测海洋结构物振动的摩擦纳米发电传感装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及振动传感器技术领域，具体涉及一种用于监测海洋结构物振动的摩擦纳米发电传感装置，包括连接板、弹簧、撞击板、摩擦纳米发电单元以及外壳；所述连接板、弹簧、撞击板以及摩擦纳米发电单元均设置在所述外壳的内部，所述连接板的一侧与所述外壳内侧的其中一侧连接，所述弹簧的一端与所述连接板的另一侧连接，所述弹簧的另一端与所述撞击板连接，所述摩擦纳米发电单元与所述外壳内侧的其中一侧连接，所述连接板与所述摩擦纳米发电单元呈相对设置。本实用新型的用于监测海洋结构物振动的摩擦纳米发电传感装置利用摩擦纳米发电技术将海洋结构物在海流中的振动能转化为电能，并且同时监测海洋结构物的振动，更加方便，监测更加稳定。
Description
技术领域
本实用新型涉及振动传感器技术领域，具体涉及一种用于监测海洋结构物振动的摩擦纳米发电传感装置。
背景技术
在现代社会中，随着对海洋资源需求的不断增大，对于输送海洋资源的海洋结构物状态监测问题也日益受到重视，海洋结构物在海洋开发中应用广泛，同时由于环境情况复杂，结构物很容易受到破坏，其中振动是破坏海洋结构物极其严重的因素，对结构物的振动监测显得极为重要。在现有的技术中，例如公开号为CN111257213A中公开的一种用于海洋结构物水下防腐涂层原位监测的装置及方法，通常在这些监测系统中利用各种传感器对结构物的状态进行监测，例如加速度传感器、应变传感器，而对于这些分布在结构物上的传感器均需要提供额外的电源去驱动传感器的工作，不仅占用检测系统的空间位置，还由于电池寿命的因素，导致监测系统要不定时去更换电池，这不仅大大增加了结构物监测的成本，还使得监测过程复杂许多，此外，如果使用电缆进行供电无疑又使整个监测系统变得繁琐，并且增加了监测的不稳定性。
实用新型内容
为了解决上述现有海洋结构物所存在的供电不方便以及不稳定的问题，本实用新型提供了一种用于监测海洋结构物振动的摩擦纳米发电传感装置，利用摩擦纳米发电技术将海洋结构物在海流中的振动能转化为电能，并且同时监测海洋结构物的振动，使用起来更加方便，监测更加稳定。
为解决上述技术问题，本实用新型提供以下技术方案：
一种用于监测海洋结构物振动的摩擦纳米发电传感装置，包括连接板、弹簧、撞击板、摩擦纳米发电单元以及外壳；
所述连接板、弹簧、撞击板以及摩擦纳米发电单元均设置在所述外壳的内部，所述连接板的一侧与所述外壳内侧的其中一侧连接，所述弹簧的一端与所述连接板的另一侧连接，所述弹簧的另一端与所述撞击板连接，所述摩擦纳米发电单元与所述外壳内侧的其中一侧连接，所述连接板与所述摩擦纳米发电单元呈相对设置。
在本实用新型中，本自供能传感装置安装于海洋结构物监测系统中，当结构物无振动时，撞击板不会发生振动，撞击板不会撞击摩擦纳米发电单元，摩擦纳米发电单元不产生电信号；而当结构物振动时，弹簧发生振动，带动撞击板振动，当振动幅度达到所设置的幅度时，撞击板撞击摩擦纳米发电单元，撞击板的振动幅度反应了结构物的振动幅度，同时由于撞击板振动幅度的不同会产生不同的电信号，根据电信号的不同就可以计算出海洋结构物的振幅情况，使用起来更加方便，监测效果好，监测也更加稳定。
进一步的，所述摩擦纳米发电单元包括两个电极相同的第一电极板和第二电极板以及两层不同的第一摩擦材料和第二摩擦材料；所述第二电极板的一侧与所述外壳内侧的其中一侧连接，所述第二电极板的另一侧与所述第二摩擦材料的一侧连接，所述第二摩擦材料的另一侧与所述第一摩擦材料的一侧连接，所述第二摩擦材料的另一侧与所述第一电极板连接，发电效果好，发电稳定，灵敏度高。
进一步的，所述第一电极板以及第二电极板均为亚克力板，所述第一电极板以及第二电极板的表面均镀有一层电极材料；所述第一摩擦材料和第二摩擦材料的摩擦电序列不同，所述第一摩擦材料和第二摩擦材料均为聚合物纳米纤维膜，静止时，两种摩擦材料处于刚好接触状态，当结构物振动时，弹簧发生振动，带动撞击板振动，当振动幅度达到所设置幅度时，撞击板撞击摩擦发电单元，由于摩擦纳米发电单元内部的摩擦材料处于刚好接触的情况，故只要撞击了摩擦纳米发电单元，就会使得纳米纤维膜之间挤压摩擦，由于两种不同材料具有不同的电极序，所以在两者的表面就会分别带上正电荷和负电荷，当撞击板撞击后往回时，两种摩擦材料释放恢复成刚好接触状态，两块电极板之间产生感应电势差，发生电荷的转移，这时连接在两电极板上的外电路中产生电流和电压，撞击板的振动幅度反应了结构物的振动幅度，同时由于撞击板振动幅度的不同会产生不同的电信号，根据电信号的不同就可以计算出海洋结构物的振幅情况，监测起来更加方便，供电效果也好。
进一步的，所述连接板和撞击板为等大同心的圆柱体，所述第一电极板和第二电极板为等大同心的圆柱体，所述连接板以及撞击板的半径均小于所述第一电极板以及第二电极板的半径，撞击板和电极板的同心设置，便于撞击，使其可以在振动时更好的反映振动幅度。
进一步的，所述第一摩擦材料以及第二摩擦材料均为采用静电纺丝的方法制备的纳米纤维网状膜，产生电荷的效果好。
进一步的，所述第一摩擦材料和第二摩擦材料分别为聚偏氟乙烯纳米纤维膜和聚偏吡咯烷酮纳米纤维膜，产生电荷的效果好。
进一步的，所述电极材料为铜膜，其表面分布有纳米或者次纳米量级的微结构，发电效率高。
进一步的，所述摩擦纳米发电单元通过标准层压器包裹在PET膜内，使摩擦纳米发电单元更好地成为一个整体。
进一步的，所述外壳为内部中空的长方体，将整个结构封装于其中，同时避免内部结构上下晃动导致的测量误差。
进一步的，所述外壳为高密度耐压材料，抗压能力好。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
1、利用撞击板撞击摩擦纳米发电单元得出的电信号来反映所测结构物的实际振幅，不需再搭载辅助电源，不更换电池，使用更加方便；
2、可以更加准确地反映结构物振动状态，实时监测结构物振动；
3、可以多个同时布置于整个结构物监测系统当中，监测结构物某段易损伤的部位，同时不会因为某一个传感器的损坏而影响整个监测系统的运行，监测效果更加稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据附图获得其他的附图。
图1为本实用新型的一种用于监测海洋结构物振动的摩擦纳米发电传感装置的结构示意图；
图2为本实用新型的一种用于监测海洋结构物振动的摩擦纳米发电传感装置的爆炸图；
图3为本实用新型的一种用于监测海洋结构物振动的摩擦纳米发电传感装置的发电原理图。
图中：1、外壳；2、连接板；3、弹簧；4、撞击板；5、第一电极板；6、第一摩擦材料；7、第二摩擦材料；8、第二电极板。
具体实施方式
下面将对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型实施例包括：
如图1-2所示，一种用于监测海洋结构物振动的摩擦纳米发电传感装置，包括连接板2、弹簧3、撞击板4、摩擦纳米发电单元以及外壳1；
连接板2、弹簧3、撞击板4以及摩擦纳米发电单元均设置在外壳1的内部，连接板2的一侧与外壳1内侧的其中一侧连接，弹簧3的一端与连接板2的另一侧连接，弹簧3的另一端与撞击板4连接，摩擦纳米发电单元与外壳1内侧的其中一侧连接，连接板2与摩擦纳米发电单元呈相对设置。
在本实用新型中，本自供能传感装置安装于海洋结构物监测系统中，当结构物无振动时，撞击板4不会发生振动，撞击板4不会撞击摩擦纳米发电单元，摩擦纳米发电单元不产生电信号；而当结构物振动时，弹簧3发生振动，带动撞击板4振动，当振动幅度达到所设置的幅度时，撞击板4撞击摩擦纳米发电单元，撞击板4的振动幅度反应了结构物的振动幅度，同时由于撞击板4振动幅度的不同会产生不同的电信号，根据电信号的不同就可以计算出海洋结构物的振幅情况，使用起来更加方便，监测效果好，监测也更加稳定。
如图1-2所示，摩擦纳米发电单元包括两个电极相同的第一电极板5和第二电极板8以及两层不同的第一摩擦材料6和第二摩擦材料7；第二电极板8的一侧与外壳1内侧的其中一侧连接，第二电极板8的另一侧与第二摩擦材料7的一侧连接，第二摩擦材料7的另一侧与第一摩擦材料6的一侧连接，第二摩擦材料7的另一侧与第一电极板5连接，发电效果好，发电稳定，灵敏度高。
在本实施例中，第一电极板5以及第二电极板8均为亚克力板，第一电极板5以及第二电极板8的表面均镀有一层电极材料；第一摩擦材料6和第二摩擦材料7的摩擦电序列不同，第一摩擦材料6和第二摩擦材料7均为聚合物纳米纤维膜，如图3所示，静止时，两种摩擦材料处于刚好接触状态，当结构物振动时，弹簧3发生振动，带动撞击板4振动，当振动幅度达到所设置幅度时，撞击板4撞击摩擦发电单元，由于摩擦纳米发电单元内部的摩擦材料处于刚好接触的情况，故只要撞击了摩擦纳米发电单元，就会使得纳米纤维膜之间挤压摩擦，由于两种不同材料具有不同的电极序，所以在两者的表面就会分别带上正电荷和负电荷，当撞击板4撞击后往回时，两种摩擦材料释放恢复成刚好接触状态，两块电极板之间产生感应电势差，发生电荷的转移，这时连接在两电极板上的外电路中产生电流和电压，撞击板4的振动幅度反应了结构物的振动幅度，同时由于撞击板4振动幅度的不同会产生不同的电信号，根据电信号的不同就可以计算出海洋结构物的振幅情况，监测起来更加方便，供电效果也好。
在本实施例中，连接板2和撞击板4为等大同心的圆柱体，第一电极板5和第二电极板8为等大同心的圆柱体，连接板2以及撞击板4的半径均小于第一电极板5以及第二电极板8的半径，撞击板4和电极板的同心设置，便于撞击，使其可以在振动时更好的反映振动幅度。
在本实施例中，第一摩擦材料6以及第二摩擦材料7均为采用静电纺丝的方法制备的纳米纤维网状膜，产生电荷的效果好。
如图3所示，第一摩擦材料6和第二摩擦材料7分别为聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维膜和聚偏吡咯烷酮(PVP)纳米纤维膜，产生电荷的效果好，当结构物振动时，弹簧3连接的撞击板4将撞击摩擦纳米发电单元，由于摩擦纳米发电单元内部的摩擦材料PVDF和PVP具有不同的摩擦电序列，通过接触摩擦，PVDF容易得电子，PVP容易失电子，从而使得PVDF带负电，PVP带正电，当撞击后恢复时，左右两电极板之间就产生感应电势差，两电极板通过外电路连接，会产生电信号，经过处理后，电信号可以直接反映结构物振动情况，直到结构物恢复原来状态便为一个周期，结构物不停振动，使得撞击板4往复撞击摩擦纳米发电单元，即会不断产生电信号，通过观察不断产生的电信号可以监测结构物的振动状况。
在本实施例中，电极材料为铜膜，为了提高发电效率，其表面分布有纳米或者次纳米量级的微结构，该微结构优选为纳米线、纳米管、纳米棒、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、纳米球或由前述结构形成的阵列，特别是由纳米线、纳米管或者纳米棒的纳米阵列，可以通过光刻蚀或等离子刻蚀等方法制备的线状、立方体或者四棱锥形状的阵列，阵列中每个这种单元的尺寸在微米到纳米量级，只要不影响电极膜的机械强度，具体微结构的单元尺寸和形状不受限制。
在本实施例中，摩擦纳米发电单元通过标准层压器包裹在PET膜内，使摩擦纳米发电单元更好地成为一个整体。
在本实施例中，外壳1为内部中空的长方体，将整个结构封装于其中，同时避免内部结构上下晃动导致的测量误差。
在本实施例中，外壳1为高密度耐压材料，抗压能力好。
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于监测海洋结构物振动的摩擦纳米发电传感装置，其特征在于，包括连接板、弹簧、撞击板、摩擦纳米发电单元以及外壳；
所述连接板、弹簧、撞击板以及摩擦纳米发电单元均设置在所述外壳的内部，所述连接板的一侧与所述外壳内侧的其中一侧连接，所述弹簧的一端与所述连接板的另一侧连接，所述弹簧的另一端与所述撞击板连接，所述摩擦纳米发电单元与所述外壳内侧的其中一侧连接，所述连接板与所述摩擦纳米发电单元呈相对设置。
2.根据权利要求1所述的用于监测海洋结构物振动的摩擦纳米发电传感装置，其特征在于，所述摩擦纳米发电单元包括两个电极相同的第一电极板和第二电极板以及两层不同的第一摩擦材料和第二摩擦材料；所述第二电极板的一侧与所述外壳内侧的其中一侧连接，所述第二电极板的另一侧与所述第二摩擦材料的一侧连接，所述第二摩擦材料的另一侧与所述第一摩擦材料的一侧连接，所述第二摩擦材料的另一侧与所述第一电极板连接。
3.根据权利要求2所述的用于监测海洋结构物振动的摩擦纳米发电传感装置，其特征在于，所述第一电极板以及第二电极板均为亚克力板，所述第一电极板以及第二电极板的表面均镀有一层电极材料；所述第一摩擦材料和第二摩擦材料的摩擦电序列不同，所述第一摩擦材料和第二摩擦材料均为聚合物纳米纤维膜。
4.根据权利要求2所述的用于监测海洋结构物振动的摩擦纳米发电传感装置，其特征在于，所述连接板和撞击板为等大同心的圆柱体，所述第一电极板和第二电极板为等大同心的圆柱体，所述连接板以及撞击板的半径均小于所述第一电极板以及第二电极板的半径。
5.根据权利要求3所述的用于监测海洋结构物振动的摩擦纳米发电传感装置，其特征在于，所述第一摩擦材料以及第二摩擦材料均为采用静电纺丝的方法制备的纳米纤维网状膜。
6.根据权利要求5所述的用于监测海洋结构物振动的摩擦纳米发电传感装置，其特征在于，所述第一摩擦材料和第二摩擦材料分别为聚偏氟乙烯纳米纤维膜和聚偏吡咯烷酮纳米纤维膜。
7.根据权利要求3所述的用于监测海洋结构物振动的摩擦纳米发电传感装置，其特征在于，所述电极材料为铜膜，其表面分布有纳米或者次纳米量级的微结构。
8.根据权利要求2所述的用于监测海洋结构物振动的摩擦纳米发电传感装置，其特征在于，所述摩擦纳米发电单元通过标准层压器包裹在PET膜内。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的用于监测海洋结构物振动的摩擦纳米发电传感装置，其特征在于，所述外壳为内部中空的长方体。
10.根据权利要求9所述的用于监测海洋结构物振动的摩擦纳米发电传感装置，其特征在于，所述外壳为高密度耐压材料。
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|---|---|---|---|
| CN202021275042.3U CN212391108U (zh) | 2020-07-02 | 2020-07-02 | 一种用于监测海洋结构物振动的摩擦纳米发电传感装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN202021275042.3U CN212391108U (zh) | 2020-07-02 | 2020-07-02 | 一种用于监测海洋结构物振动的摩擦纳米发电传感装置 |
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| CN212391108U true CN212391108U (zh) | 2021-01-22 |
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| CN (1) | CN212391108U (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113699695A (zh) * | 2021-08-18 | 2021-11-26 | 哈尔滨工业大学（深圳） | Pdms复合纳米纤维薄膜及摩擦纳米发电机的制备方法 |
| CN114636466A (zh) * | 2022-03-14 | 2022-06-17 | 广东海洋大学 | 一种基于摩擦纳米发电的三维振动传感器 |
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2020
- 2020-07-02 CN CN202021275042.3U patent/CN212391108U/zh active Active
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