一种基于纳米发电机的漂浮式风速监测仪

1.本发明属于海洋环境监测领域，具体涉及一种基于纳米发电机的漂浮式风速监测仪


背景技术：

2.风速风向仪是海洋环境监测设备中的一种，广泛应用于港口海岸的海洋气象监测。常规的风速风向仪主要分为机械式和超声波式两种。机械式靠风杯转动测量风速，结构简单价格低廉，但是易损耗，测量结果不够精确。超声波式利用超声波时差法测量风速和风向，但是容易受到环境和气候的影响。并且传统的风速风向仪设备较大，只能安装固定在一个地方，需要外部电源供能，难以有效监测海洋表面的风向风速情况。这不利于海面环境的监测，进而影响船只航行和海洋贸易。因此，设计出一种能自供能、高灵敏度且能实时监测海洋表面的风速风向仪尤为重要。
3.压电材料、摩擦电材料和纳米发电机的发展为本发明提供了技术支持。压电材料能在外力作用下发生机械变形时产生电压，摩擦电材料会在摩擦滑移产生时生成电流，压电摩擦电的原理已经广泛应用于传感器和执行器的开发使用。纳米发电机是利用特殊纳米材料的压电、摩擦电性能和半导体性能，把机械能转化为电能的发电机，在生物医学、无线通信和无线传感等方面都有应用。
4.在本发明中，我们将压电纳米发电机应用于下部单元以解决自供能的问题，其可以在波浪推动拍打时将机械能转化为电能并储存于电容器中进行自供电；并且我们将尝试使用摩擦电材料于上部单元组成风力传感器用于风力监测，传感器可以在风的作用下使空气振动膜振动产生电信号；另外中部有支撑柱和导线、整流单元，能支撑上部结构在海面的同时传递电信号；下部使用疏水防腐蚀外壳并确保重心在下部保证仪器的安全和工作运行。


技术实现要素：

5.针对传统风速风向仪需要外部电源和难以检测海表面风场的问题，本发明提出一种基于纳米发电机的漂浮式风速监测仪。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于纳米发电机的漂浮式风速监测仪，具体包括上中下依次连接的上部单元、中部单元和下部单元。
7.所述中部单元为设置有整流电路。所述下部单元含有压电式纳米发电机用于发电。
8.所述上部单元含有多个中心与上部单元的重心位于同一水平面的空气振动膜，且任意相邻的两个空气振动膜结构所在的平面相互垂直，位于上部单元的不同平面。上部单元还包括多个与空气振动膜所在平面平行的工作在独立层模式的摩擦式纳米发电机，摩擦式纳米发电机与空气振动膜一一对应，共同组成风速传感器，用于风速监测。
9.进一步地，所述上部单元和中部单元是一个中空的结构，能保证整流滤波电路固
定在中部单元的内表面，能保证使电路通过。同时减轻设备中部单元的重量，保证重心在监测仪下部并使监测仪浮于水面之上。
10.进一步地，上部单元的空气振动膜在风的影响下产生振动，从而不断接触摩擦式纳米发电机的摩擦电材料表面，产生电脉冲，获得传感输出。
11.进一步地，下部单元具有多层结构，包括外壳层、压电式纳米发电机层、内壳层、电容器电源组和单片机板。
12.进一步地，下部单元含有的压电式纳米发电机单体以长边四个、宽边三个，等间距地排列设置在外壳层内表面和内壳层外表面之间，组成压电式纳米发电机层。
13.进一步地，下部单元中压电式纳米发电机层组成发电机组发电，每一个纳米发电机单体包覆有压电片的上下臂以及存在压电块的中部空腔压电块。
14.进一步地，所述电容器电源组收集压电式纳米发电机层收集的机械能，并用于为单片机板进行供能。
15.进一步地，所述单片机板储存来自摩擦式纳米发电机的输出、gps信息以及定时将数据发送给基站或卫星。
16.进一步地，中部单元具有可伸缩结构，以满足不同环境的工作要求。
17.本发明的有益效果：本发明通过漂浮式自供能的风速监测仪能够监测海洋表层风速数据，结合海洋表层的风速数据能够降低卫星遥感海洋表面风场数据的误差，对实际应用具有积极意义。本发明的创新之处在于使用纳米发电机作为传感器和电源，具有高的灵敏度和自供能的特点。该设备通过海浪激发多个压电纳米发电机组成的“发电机组”进行发电，并将产生的电能储存在下部单元中信号发射模块的电容器中，单片机在工作时以电容器作为电源，不断将来自上部单元的电压数据写入储存器中，在相隔定长后，会激活信号发射系统，将储存器中的新数据发送给基站或卫星，完成一次工作周期的工作。
附图说明
18.图1是漂浮式风速监测仪工作原理地结构示意图。
19.图2是漂浮式风速监测仪上部单元展示图。
20.图3是漂浮式风速监测仪上部单元细节展示图。
21.图4是漂浮式风速监测仪中部单元细节展示图。
22.图5是漂浮式风速监测仪下部单元压电式纳米发电机细节展示图部分。
23.图6是漂浮式风速监测仪下部单元压电式纳米发电机层、电容器电源组和单片机板细节展示图部分。
24.图7是漂浮式风速监测仪中空腔压电块细节展示图。
25.图8是漂浮式风速监测仪工作示意图。
26.图中：上部结构1；中部结构2；下部结构3；空气振动膜101；摩擦式纳米发电机102；整流电路201；下部外壳层301；压电式纳米发电机组302；下部内壳层303；电容器电源组304；单片机板305；压电式纳米发电机中部空腔压电块306；
具体实施方式
27.以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。
28.如图1
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8所示，本发明提供了一种基于纳米发电机的漂浮式风速监测仪，具体包括上中下依次连接的上部单元1、中部单元2和下部单元3。
29.所述上部单元1含有多个中心与上部单元1的重心位于同一水平面的空气振动膜101，且任意相邻的两个空气振动膜结构所在的平面相互垂直，位于上部单元1的不同平面。上部单元1还包括4个与空气振动膜101所在平面平行的工作在独立层模式的固定在感受窗上的摩擦式纳米发电机102，用以感受空气振动膜的的振动产生电输出，摩擦式纳米发电机102与空气振动膜101一一对应，共同组成风速传感器，空气振动膜四周固定在上部单元的感受窗上，以响应风速，在其未固定的中部区域产生振动，将膜传导的振动转化为电信号并向下部传输，用以监测风速的大小。
30.所述中部单元2为设置有整流电路201，对摩擦式纳米发电机的风速传感器1的输出进行整流。所述下部单元3固定在中部单元2下方，并浸没在水中，含有压电式纳米发电机用于发电。
31.下部单元3具有三层结构，包括外壳层301、压电式纳米发电机层302、内壳层303、电容器电源组304和单片机板305。下部单元3含有的压电式纳米发电机单体302以长边四个、宽边三个，等间距地排列设置在外壳层301内表面和内壳层303外表面之间，组成压电式纳米发电机层302。
32.下部单元3中压电式纳米发电机层302组成发电机组发电，每一个纳米发电机单体具有包覆有压电片的上下臂以及存在压电块的中部空腔压电块306。
33.所述电容器电源组304收集压电式纳米发电机层302收集的机械能，并用于为单片机板305进行供能。
34.所述单片机板305储存来自摩擦式纳米发电机的输出、gps信息以及定时将数据发送给基站或卫星。并会在经过设定时间后将储存的信息发送到基站或卫星并清空储存。
35.上部单元1是固定在中部单元2上，并保持在水面之上。所述上部单元1和中部单元2是一个中空的结构，能保证整流滤波电路固定在中部单元2的内表面，能保证使电路通过。同时减轻设备中部单元2的重量，保证重心在监测仪下部并浮于水面之上。中部单元2具有可伸缩结构，在波高较大时伸展、波高较小时收缩以确保上部单元1露出水面，以满足不同环境的工作要求。
36.本发明提供的漂浮式风速监测仪，由压电式纳米发电机102发电，因此在工作周期内能使用环境机械能实现自供电，无需充电或其他形式的电池。该监测仪可以固定在基站附近或岛礁工作也可以放置于水中，随着水流或洋流工作。
37.如图1所示，是本发明提供的漂浮式风速监测仪原理设计图，当使用者激活监测仪，将监测仪于待测的海洋表面，下部单元受波浪驱使开始工作，收集电能并处理信息。上部单元同时开始监测海洋表面风速风向情况，并将电信号通过中部单元传输到信息处理部，处理后发送信息到使用者电脑上。
38.如图2所示，是本发明提供的漂浮式风速监测仪上部单元的剖面展示。当使用者激活监测仪，将监测仪于待测的海洋表面，上部单元的空气振动膜膜(101)受到风力激发，产生微小振动。在该过程中膜会不断与下方的摩擦式纳米发电机(102)电极表面接触分离，产生电信号，获得传感输出从而实现对风速的监测。
39.如图3所示，是本发明提供的漂浮式风速监测仪上部单元空气振动膜和摩擦式纳
米发电机具体装配方式展示。空气振动膜覆盖在摩擦式纳米发电机的上部，空气振动膜和摩擦式纳米发电机间具有间距，下方的摩擦式纳米发电机的两极间存在一个间隔。
40.如图4所示，是本发明提供的漂浮式风速监测仪中部单元剖面展示。风速监测仪中部存在一个整流滤波电路，能将风速监测仪上部产生的电信号进行初步的滤，方便风速监测仪下部单片机板对数据进行储存。
41.如图5所示，是本发明提供的漂浮式风速监测仪下部单元剖面展示。风速监测仪下部单元存在压电纳米发电机层、内壳层、电容器组和单片机板。当风速风向仪工作时，下部单元起到采集收集电能和信号储存的作用，压电纳米发电机组能将波浪能收集转换为电能，传输到电容器组作为电源支持单片机板工作。单片机板具有信号收集和信号发送作用。
42.如图6所示，是本发明提供的漂浮式风速监测仪下部单片机板、电容器组和压电纳米发电机的具体展示。当风速监测仪下部处于水中并受到波浪激发时，压电纳米发电机组能将波浪的机械能转化为电能并传送给电容器组。电容器组收集电能作为电源支持单片机板工作。在风速风向仪下部压电纳米发电机组排布在风速风向仪下部外壳与内壳之间，以长边四个、宽边三个，等间距排布。电容器组和单片机板在同一块电路板上并被固定在风速监测仪内壳内表面上。
43.如图7所示，是本发明提供的漂浮式风速监测仪下部压电式纳米发电机组单个压电纳米发电机展示。单个压电纳米发电机呈“互”字。在海浪激发风速监测仪下部外壳后，风速监测仪下部外壳振动引起压电纳米发电机发生形变，不断挤压压电纳米发电机中间的压电块并产生电能，同时“互”字各臂同样会发生形变，压电纳米发电机上覆盖的压电薄膜也能收集机械能。
44.如图8所示，是本发明提供的漂浮式风速监测仪工作示意图。整个监测仪开始工作后，监测仪处于海洋表面。监测仪上部单元浮于海面，下部单元完全浸没水中，监测仪中部单元部分浮出水面，监测仪重心保证在监测仪下部单元使得整个监测仪能竖直立在海面之上。监测仪上部单元在感受到风速并收集电信号后，经过中部单元整流滤波电路后传递给监测仪下部单元的单片机板。同时监测仪下部单元受到波浪激发，下部单元中的压电纳米发电机组不断将机械能收集转化为电能供给单片机板使用。
45.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。