阅读说明：本技术 一种面向环境感知的摩擦电-电磁复合流速检测装置 (Triboelectricity-electromagnetism composite flow velocity detection device for environment perception ) 是由 李龙 蒋奕晨 汪田鸿 金滔 张泉 田应仲 于 2021-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种面向环境感知的摩擦电-电磁复合流速检测装置,包括弹簧-磁铁电磁感应模块,摩擦纳米发电模块,亚克力管-旋转模块以及无线传输电源管理模块,亚克力管-旋转模块的亚克力管组件的一端固定在旋转模块的旋转中心块的外边缘上,另一端与摩擦纳米发电模块的支撑盘固定,弹簧-磁铁电感应模块的弹簧一端与亚克力管-旋转模块的旋转中心块相固联,弹簧-磁铁电磁感应模块位于亚克力管的内部,实现弹簧-磁铁电磁感应模块与摩擦纳米发电模块位于亚克力管和旋转中心块的封闭空间内。本发明可实现自供电,依靠电信号的输出特性,实现对驱动流体的旋转速度检测,基于电源管理模块,配合低功耗蓝牙模块,实现在无人环境下的流体流速检测。(The invention discloses a triboelectricity-electromagnetism composite flow velocity detection device facing environment sensing, which comprises a spring-magnet electromagnetic induction module, a friction nano power generation module, an acrylic tube-rotation module and a wireless transmission power management module, wherein one end of an acrylic tube assembly of the acrylic tube-rotation module is fixed on the outer edge of a rotation center block of the rotation module, the other end of the acrylic tube assembly is fixed with a supporting plate of the friction nano power generation module, one end of a spring of the spring-magnet electromagnetic induction module is fixedly connected with the rotation center block of the acrylic tube-rotation module, and the spring-magnet electromagnetic induction module is positioned in an acrylic tube, so that the spring-magnet electromagnetic induction module and the friction nano power generation module are positioned in a closed space of the acrylic tube and the rotation center block. The invention can realize self power supply, realize the rotation speed detection of the driving fluid by depending on the output characteristic of an electric signal, and realize the flow velocity detection of the fluid in an unmanned environment by matching with the low-power consumption Bluetooth module based on the power management module.)

一种面向环境感知的摩擦电-电磁复合流速检测装置

技术领域

本发明旨在解决偏远地区的水流/风速等流体的流速监测装置，能够实现在偏远地区的流速监测装置的自供电，并实现监测数据的无线传输，更具体地说，是一种面向环境感知的摩擦电-电磁复合流速检测装置。

背景技术

未来无人气象站的风速、降雨、水位等环境监测要素的需求将在环境监测领域发挥重要作用，这就需要对气象信息进行日常的汇总和险情预警，以避免重大自然灾害的发生。例如，短时间内的强降雨往往导致河流流量激增，而这往往预示着区域性自然灾害的突然发生。同时随着5G物联网技术的快速发展，感知信息可以被低延迟地传输，从而通过大数据和云计算技术的远程终端实现智能气象预测和监控。然而，无人气象站的可行性和成本效益需要考虑，因为大多数现有的传感器往往需要外部电源和相关的电线来确保其日常运行。特别是在广阔的草原和山区等偏远地区和恶劣的环境中，会出现意想不到的困难。因此，下一代无人气象站除了实时信息采集和监测外，还应具有可持续性，并可实现无线传输，避免额外的电池的配置需求，能够从环境中获取能量以支持其基本操作的自供电装置并由此实现无线传输是一种可能的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向环境感知的摩擦电-电磁复合流速检测装置，能够实现从环境中获取机械能能量并将其转化为电能存储以支持其实现无线传输的自供电装置，并依靠电信号输出的特点表征流体的流速，实现对于流速的实时检测。

为了达到上述目的，本发明釆用的技术方案是：

本发明包括亚克力管-旋转模块，弹簧-磁铁电磁感应模块，摩擦纳米发电模块以及无线传输电源管理模块，所述的弹簧-磁铁电磁感应模块的弹簧的一端与亚克力管-旋转模块的三棱柱形旋转中心块相固联，所述亚克力管-旋转模块的亚克力管的一端通过支撑块固定在三棱柱形旋转中心块的外边缘上，另一端与摩擦纳米发电模块的支撑盘固定。

优选地，所述亚克力管-旋转模块，包括亚克力管，三棱柱形旋转中心块，三棱柱形旋转中心块的三个柱面间呈相互120度的夹角，三个亚克力管的一端均与三棱柱形旋转中心块的外边缘形成固联，三个亚克力管之间在平面上形成相互120度的夹角，当三个亚克力管受到圆周切向力的作用，整个装置会绕着三棱柱形旋转中心块的旋转轴旋转。

优选地，所述弹簧-磁铁电磁感应模块，包括弹簧，圆柱形磁铁，感应线圈；圆柱形磁铁与弹簧的一端固联，另一端处于悬空状态；弹簧的另一端被固定在亚克力管-旋转模块的三棱柱形旋转中心块上；用于电磁感应的感应线圈被均匀地分布在亚克力管的外壁上，磁铁在外部合力(离心力、重力、弹簧弹力)的作用下在亚克力管内作直线往复运动，亚克力管外壁上的感应线圈切割磁铁的磁感线包络圈，得到感应交流电信号，从而实现机械能向电能的转换。

优选地，所述摩擦纳米发电模块，包括支撑盘，正极摩擦层，负极摩擦层，导电层，绝缘外壳；负极摩擦层和导电层相互粘附，形成物理接触；正极摩擦层与负极摩擦层被对应地放置在拱形绝缘外壳相互对应的内壁上，绝缘外壳被固定在支撑盘的表面，支撑盘与亚克力管-旋转模块的亚克力管的远离旋转中心的一端固定，当弹簧-磁铁电磁感应模块的圆柱形磁铁受到重力、离心力以及弹簧弹力所组成的合力的作用下，在亚克力管内作直线往复运动，当圆柱形磁铁往远离旋转轴的方向运动的时候会实现对于绝缘外壳的挤压，当圆柱形磁铁往靠近旋转中心轴线的方向运动的时候会实现与绝缘外壳的分离，这样的一种运动模式会实现摩擦纳米发电模块内部正极摩擦层与负极摩擦层之间的接触分离，产生交流脉冲信号，从而实现机械能向电能的转换。

优选地，所述无线传输电源管理模块，弹簧-磁铁电磁感应模块和摩擦纳米发电模块产生的电能传输至电源收集模块并最终存储在储能电池上，当电量达到预设的阈值时，单片机数据处理模块工作，并将电信号进行处理后，通过低功耗蓝牙模块进行数据的无线传输。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

1)该面向环境感知的摩擦电-电磁复合流速检测装置可以实现对偏远地区的流体包括风能和水流的动能转化，并实现对于流体流速的实时检测。

2)基于能量收集的无线传输模块可以实现对于将无人环境的流体检测数据信息传输给远程终端。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的亚克力管-旋转模块示意图；

图3是本发明的弹簧-磁铁电磁感应模块示意图；

图4是本发明的摩擦纳米发电模块示意图；

图5是本发明的无线传输电源管理模块示意图。

图中：1、亚克力管-旋转模块，2、弹簧-磁铁电磁感应模块，3、摩擦纳米发电模块，4、无线传输电源管理模块，5、三棱柱形旋转中心块，6、亚克力管，7、支撑块，8、弹簧，9、感应线圈，10、圆柱形磁铁，11、支撑盘，12、正极摩擦层，13、负极摩擦层，14、导电层，15、绝缘外壳，16、电源收集模块，17、储能电池18、单片机数据处理模块，19、低功耗蓝牙模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括亚克力管-旋转模块1，弹簧-磁铁电磁感应模块2以及摩擦纳米发电模块3，弹簧-磁铁电磁感应模块2的弹簧8的一端与亚克力管-旋转模块1的三棱柱形旋转中心块5固联。亚克力管-旋转模块1的亚克力管6的一端通过支撑块7固定在三棱柱形旋转中心块5的外边缘上，另一端与摩擦纳米发电模块3的支撑盘11固定。亚克力管-旋转模块1是作为整个装置的结构支撑，在其运动过程中，机械能由装置的旋转转化为圆柱形磁铁10在亚克力管6内的直线往复运动，弹簧-磁铁电磁感应模块2中的感应线圈9和摩擦纳米发电模块3在此运动的基础上工作，并最终实现机械能向电能的转换。

如图2所示，所述亚克力管-旋转模块1，包括三棱柱形旋转中心块5，亚克力管6。三棱柱形旋转中心块5的三个柱面间呈相互120度的夹角，三个亚克力管6的一端均与三棱柱形旋转中心块5的外边缘固联，三个亚克力管6之间在平面上形成相互120度的夹角。当三个亚克力管6受到圆周切向力的作用，整个装置会绕着三棱柱形旋转中心块5的旋转轴旋转。

如图3所示，所述弹簧-磁铁电磁感应模块2，包括弹簧8，圆柱形磁铁10，感应线圈9；圆柱形磁铁10与弹簧8的一端固联，另一端处于悬空状态；弹簧8的另一端被固定在亚克力管-旋转模块1的三棱柱形旋转中心块5上；用于电磁感应的感应线圈9被均匀地分布在亚克力管6的外壁上。磁铁在外部合力(离心力、重力、弹簧弹力)的作用下在亚克力管6内作直线往复运动，亚克力管6外壁上的感应线圈9切割磁铁的磁感线包络圈，得到感应交流电信号，从而实现机械能向电能的转换。

如图4所示，所述摩擦纳米发电模块3，包括支撑盘11，正极摩擦层12，负极摩擦层13，导电层14，绝缘外壳15；负极摩擦层12和导电层14相互粘附，形成物理接触；正极摩擦层12与负极摩擦层13被对应地放置在拱形绝缘外壳15相互对应的内壁上，绝缘外壳15被固定在支撑盘的表面，支撑盘(11)与亚克力管-旋转模块1的亚克力管6的远离旋转中心的一端固定。当弹簧-磁铁电磁感应模块2的圆柱形磁铁10受到重力、离心力以及弹簧弹力的合力的作用下，在亚克力管6内作直线往复运动。当圆柱形磁铁10远离旋转轴的时候会实现对于绝缘外壳15的挤压.当圆柱形磁铁10靠近旋转中心轴的时候会实现与绝缘外壳15的分离。这样的一种运动模式会实现摩擦纳米发电模块3内部正极摩擦层12与负极摩擦层13之间的接触分离，产生交流脉冲信号，从而实现机械能向电能的转换。

如图5所示，所述的无线传输电源管理模块4，弹簧-磁铁电磁感应模块2和摩擦纳米发电模块3产生的电能传输至电源收集模块16并最终存储在储能电池17上，当电量达到预设的阈值时，单片机数据处理模块18工作，并将电信号进行处理后，经低功耗蓝牙模块19进行无线传输。

本发明所涉及的一种面向环境感知的摩擦电-电磁复合流速检测装置的监测方式如下所示，当其作为流速检测装置时，其需要被安装在水流车/风车上以提供一个可用来实用的速度检测装置，水轮车/风车的转动轴线与亚克力管-旋转模块的三棱柱旋转中心块的旋转轴固联。水轮车/风车的桨叶在受到流体的驱动力作用下转动，从而带动流速检测装置转动，弹簧-磁铁电磁感应模块中的磁铁在受到重力、方向变化的离心力以及弹簧弹力的作用下，亚克力管内作直线运动，其一是实现线圈对于相对运动中的磁感线的切割，从而实现机械能到电能的转换；其二是实现磁铁对于位于亚克力管远端的摩擦纳米发电模块的挤压，使摩擦纳米发电模块实现接触分离运动，从而实现机械能到电能的转换。对于偏远地区而言，实现可靠自供电是实现无线传输的必要方式。基于电磁感应模块和摩擦纳米发电模块的电能收集，将输出的电能经电源管理模块收集后作为单片机和低功耗蓝牙模块数据处理和信号传输的电源，实现对无人环境流体的实时监测。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。