基于摩擦纳米发电机的船舶振动能采集与智能监测装置的制作方法

本发明涉及船舶的智能监测装置，特别是一种具有自供能的智能监测装置。

技术背景

随着船舶、海工领域的现代化以及自动化的发展，该领域需要越来越多的智能传感器，很多智能传感器需要采集多个节点，并且进行数据存储和分析，并且目前现有的传感器只能通过外加电源的形式来进行工作，无法解决传感器的自供能问题。

技术实现要素：

为解决上述存在的技术问题，本发明要设计一种具有自供能的基于摩擦纳米发电机的船舶振动能采集与智能监测装置。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：基于摩擦纳米发电机的船舶振动能采集与智能监测装置，包括底座、摩擦纳米发电机、集成电路以及显示屏；所述的摩擦纳米发电机固定在底座上，所述的集成电路设置在底座内，所述的显示屏设置在底座的一侧，所述的底座固定在船舶上；

所述摩擦纳米发电机包括弹簧、硅胶模型、上层电极、下层电极和导线；所述硅胶模型为螺旋模型；所述弹簧位于硅胶模型内部，弹簧与硅胶模型的螺旋形状一致；所述上层电极位于硅胶模型螺旋面的上侧表面，所述下层电极位于硅胶模型螺旋面的下侧表面，所述下层电极的上表面设置硅胶层；所述上层电极和下层电极分别通过导线与集成电路连接；所述摩擦纳米发电机具有摩擦发电和将振动信号转化为电信号的双重功能；

所述集成电路包括电路管理模块和储能模块；所述的电路管理模块包括单片机、电容a、电容b、电感a和过零比较器，所述的摩擦纳米发电机分别与电容a、电容b和整流器的两个输入接口并联；所述的电容a和电容b的同一端分别与电感a的两端连接；所述的过零比较器的两个输入端分别连接到电容b的两端，过零比较器的输出端连接单片机的信号输入端；所述的储能模块包括整流器、电压比较器、场效应管、二极管、电感b、稳压器、单片机和电容器c；所述的整流器的两个输入接口与电路管理模块连接，整流器的两个输出接口与电压比较器并联；所述的电压比较器分别与二极管、电容器c并联；所述的场效应管分别与电压比较器的正输入端、输出端和二极管的阴极连接；所述的电感b的一端分别与场效应管和二极管连接，电感b的另一端与电容器c和稳压器的一端相连；所述的稳压器的另一端经单片机后连接回储能模块，构成供电线路；

所述的单片机的输出端与显示屏连接。

进一步地，所述的单片机的输出端与无线通信模块连接，单片机通过无线通信模块将电信号传输到信息接收中心。

进一步地，所述硅胶模型和弹簧通过浇注方式制成螺旋模型，弹簧用于支撑硅胶模型并保证硅胶模型的弹性。

进一步地，所述上层电极和下层电极通过硅胶与碳粉混合镀在硅胶模型螺旋面的上下两面；所述硅胶层作为绝缘摩擦层。

进一步地，所述电容器c与接触器串联。

本发明的工作原理如下：在工作时，由于船舶振动使摩擦纳米发电机的弹簧做周期性压缩运动，使得上层电极和下层电极做周期性接触-分离运动，硅胶层与电极层作周期性接触摩擦，使得电极层表面所带有的摩擦净电荷随其一起移动，促使上层电极和下层电极之间的感应电势差发生周期性变化，驱动电极向外电路输出交流电信号。

整流器是将摩擦纳米发电机发出的交流电流处理成直流电流，便于储能模块储存。

本发明利用船舶振动产生的交流的电压、电流和频率信号来判断振动的状况，同时收集该交流电，将其转化为直流电储存，以便给单片机和显示器供电。

本发明的摩擦纳米发电机由平板接触式演变过来，呈弹簧形状，属于接触分离式摩擦纳米发电机。摩擦纳米发电机的硅胶模型通过浇注成型，其体内的弹簧起到支撑以及保证摩擦纳米发电机弹性的作用。

本发明在下层电极上粘贴一层硅胶层，作为绝缘摩擦膜。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明不需要电池以及外加电源，且能够持续不断的为自身传感器供电，本发明可以以微小的电能进行工作，既减少了制造电池所消耗的资源和能量，又能减少电力浪费，实现自供能。

2、本发明可以根据发电机的输出电压波形，计算出船舶振动的频率和幅值以及船舶机舱其他机电设备的振动频率，并且可以通过物联网传送并存储监测信息，与船舶正常运行状态下的振动频率形成对比，一旦出现任何异常振动，将会传给报警系统，有利于船舶管理人员及时的对船舶异常振动的机电设备进行检查维修，实现船舶振动可视化。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的硅胶模型结构图。

图3是本发明的硅胶模型内部弹簧结构图。

图4是摩擦纳米发电机工作原理示意图。

图5是本发明的工作电路图。

图中：1-硅胶模型；2-弹簧；3-上层电极；4-硅胶层；5-下层电极；6-底座；7-显示器；8-摩擦纳米发电机；9-电容器a；10-电感a；11-电容b；12-过零比较器；13-整流器；14-场效应管；15-电压比较器；16-二极管；17-电感b；18-电容器c；19-接触器；20-稳压器；21、单片机；22、显示屏。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

如图1-3所示为本发明的结构示意图，将本发明放置于船舶或船舶机械上，底端固定。图4是本发明的工作原理示意图，当船舶或船舶振动时，由于内部弹簧2及弹性硅胶的特性，本发明会做周期性压缩运动。当压缩时，上层电极3与下层电极5上的硅胶层4发生接触摩擦，下层电极5带负电荷，上层电极3带正电荷，两者电荷数量相等；由于振动分离时，上下两层分离，同时下层电极5会感应出正电荷，电子通过外电路转移到上层电极3；弹簧2再次压缩时，上层电极3上的电子会通过外电路再转移至下层电极5，依次循环。弹簧2在做周期压缩运动过程中就将环境振动能转化为电能。

本发明作为自驱动振动传感器，直接输出是高电压、低电流的电信号，为此，加入了电路管理模块。如图5所示，摩擦纳米发电机8输出的电信号经过整流器13传送至电压比较器15，当电压高于预设值时，场效应管14开关闭合，为电容器c18充电。电容器c18经稳压器20稳压输出，为负载(电压比较器15、过零比较器12、单片机21和显示器22)提供电能。

本发明将环境振动转化为周期性电信号，芯片中可将输入的电信号频率转化为振动信号。电路中过零比较器12和单片机21将摩擦纳米发电机8输出信号转化为电信号，即，通过实验，标定电信号频率与振动频率关系，以及电压大小与振动幅度关系，将其烧结于芯片中，即可将电信号转化为振动信号，最后传送给显示器22及信息接收中心。

本发明除了可以为自身供电外，还可以为无线温度传感器、无线湿度传感器等其他无线传感器供电，形成无线传感网络系统。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于摩擦纳米发电机的船舶振动能采集与智能监测装置，包括底座、摩擦纳米发电机、集成电路以及显示屏；所述摩擦纳米发电机包括弹簧、硅胶模型、上层电极、下层电极和导线，具有摩擦发电和将振动信号转化为电信号的双重功能。本发明不需要电池以及外加电源，且能够持续不断的为自身传感器供电，本发明可以以微小的电能进行工作，既减少了制造电池所消耗的资源和能量，又能减少电力浪费，实现自供能。本发明可以根据发电机的输出电压波形，计算出船舶振动的频率和幅值，与船舶正常运行状态下的振动频率形成对比，监测异常振动，有利于船舶管理人员及时的对船舶异常振动的机电设备进行检查维修，实现船舶振动可视化。

技术研发人员：徐敏义;张向前;王松
受保护的技术使用者：大连海事大学
技术研发日：2017.09.13
技术公布日：2017.12.22