基于摩擦纳米发电机的自驱动农业物联网风速传感器制造技术

基于摩擦纳米发电机的自驱动农业物联网风速传感器，属于农业智能、环保领域，为了解决农业风速测量且对其收集并将其转化为摩擦电量，便于存储的问题，包括风力纳米摩擦发电机、风速传感器系统，所述的风速传感器系统包括整流电路、储能装置，风力纳米摩擦发电机产生交流电信号，整流电路将交流电信号整流为交流与直流电混合的脉动直流电信号，脉动直流电信号用于测算风速，且在必要时由储能装置将部分电能存储在储能装置，效果是能转化及存储电能。

Wind Speed Sensor Based on Friction Nano-Generator for Self-Driven Agricultural Internet of Things

\u57fa\u4e8e\u6469\u64e6\u7eb3\u7c73\u53d1\u7535\u673a\u7684\u81ea\u9a71\u52a8\u519c\u4e1a\u7269\u8054\u7f51\u98ce\u901f\u4f20\u611f\u5668\uff0c\u5c5e\u4e8e\u519c\u4e1a\u667a\u80fd\u3001\u73af\u4fdd\u9886\u57df\uff0c\u4e3a\u4e86\u89e3\u51b3\u519c\u4e1a\u98ce\u901f\u6d4b\u91cf\u4e14\u5bf9\u5176\u6536\u96c6\u5e76\u5c06\u5176\u8f6c\u5316\u4e3a\u6469\u64e6\u7535\u91cf\uff0c\u4fbf\u4e8e\u5b58\u50a8\u7684\u95ee\u9898\uff0c\u5305\u62ec\u98ce\u529b\u7eb3\u7c73\u6469\u64e6\u53d1\u7535\u673a\u3001\u98ce\u901f\u4f20\u611f\u5668\u7cfb\u7edf\uff0c\u6240\u8ff0\u7684\u98ce\u901f\u4f20\u611f\u5668\u7cfb\u7edf\u5305\u62ec\u6574\u6d41\u7535\u8def\u3001\u50a8\u80fd\u88c5\u7f6e\uff0c\u98ce\u529b\u7eb3\u7c73 Friction generator generates alternating current signal, rectifier circuit converts alternating current signal into pulsating direct current signal mixed with alternating and direct current, pulsating direct current signal is used to measure wind speed, and part of energy is stored in energy storage device by energy storage device when necessary, the effect is energy conversion and storage.

【技术实现步骤摘要】
基于摩擦纳米发电机的自驱动农业物联网风速传感器
本专利技术属于农业智能、环保领域，涉及一种基于摩擦纳米发电机的自驱动农业物联网风速传感器。
技术介绍
除了自然界的光、热、水、气对农业生产有利，风也是农业生产的环境因子之一，正常的风对农业生产很有作用，其中风速适度对改善农田环境条件起着重要作用。所以对风速和风向进行测量对农业会有很大的帮助。因此需要对风速进行适时监测，现今监测所用传感器主要是基于热量转移原理或差压原理构成的风速传感器，是农业气候自动监测站风的参数测量的重要设备。此外，近年来对环境机械能的收集已逐渐成为了能源和材料研究领域的热点和重点。其中，风能作为一种大规模的可再生能源，在世界很多区域都有充裕的分布。相对于太阳能对时间与环境的严重依赖性，风能几乎不分昼夜、季节和气候环境的变化时刻存在于人们的身边。然而遗憾的是，由于地域的限制，风能这种可持续的绿色能源在很多国家和地区都没有被有效地开发利用。因此如何制作出既能将利用风能转化为电能，又能测出风速的装置成为本专利技术的研究重点。现今，对于风速的监测所用传感器主要是基于超声波时差法原理或差压原理构成的风速传感器。超声波测风速是利用超声波在空气中传播速度受风的影响来测风速的；差压测量原理是通过测量风流引起的动压和静压的差值来测量风速大小。风力发电方面，传统的风力发电系统结构一般由风轮、发电机、尾舵和电气控制部分等构成。传统的风力发电机组多由感应发电机或永磁同步发电机加AC/DC变换器、蓄电池、逆变器组成。在风的吹动下，风轮转动起来，使空气动力能转变成了机械能(转速+扭矩)。风轮的轮毂固定在发电机轴上，风轮的转动驱动了发电机轴的旋转，带动永磁三相发电机发出三相交流电。风速的不断变化、忽大忽小，发电机发出的电流和电压也随着变化。发出的电经过控制器的整流，由交流电变成了具有一定电压的直流电，并向蓄电池进行充电。从蓄电池组输出的直流电，用来为其他设备装置供电。一方面，对现有应用的风速传感器系统来说，无论基于那种测量技术的风速传感器，对独立维持自身连续工作的风速传感器来说，供电问题成为克制其网络式发展的瓶颈。因为供电系统体积和数量过于庞大，甚至远大于传感网络本身。另一方面，现有的风力发电机也存在着弊端，近年来报道的风力发电机主要是基于普通的电磁感应发电机。为了获得较高的输出功率和转换效率，基于电磁感应发电机的风力发电机设备一般体积大、重量沉，因此难以大规模集成。从而进一步增加了发电机的复杂性与制造成本。在传统的传感网络中，供电系统体积和数量过于庞大，甚至远大于传感网络本身。
技术实现思路
为了解决农业风速测量且对其收集并将其转化为摩擦电量，便于存储的问题，对于风速检测的电量来自于测量本身，本专利技术提供了一种基于风力驱动转盘式纳米摩擦发电机，利用该纳米摩擦发电机产生的不同频率的交流电信号，从而测算出风速，并能将电能储存，为其他的传感器供电，从而解决了传感器系统的自供电或自驱动问题。一种基于摩擦纳米发电机的自驱动农业物联网风速传感器，包括风力纳米摩擦发电机、风速传感器系统，所述的风速传感器系统包括整流电路、储能装置，风力纳米摩擦发电机产生交流电信号，整流电路将交流电信号整流为交流与直流电混合的脉动直流电信号，脉动直流电信号用于测算风速，且在必要时由储能装置将部分电能存储在储能装置。进一步的，在必要时由脉动直流电对风速传感器系统的耗电元件供电。进一步的，风力纳米摩擦发电机，包括底部带有圆形底盘的连接杆、套筒、叶片圆盘、圆形底盘、电极、导线，套筒套接在实心连接杆外周，套筒上部沿着套筒径向连接有若干连杆，连杆的端部是半球形风叶，叶片圆盘套接并紧固在套筒的外周，叶片圆盘与圆形底盘的相对面设置有电极，一个电极覆有摩擦材料，一个电极生长有纳米级金属氧化物，叶片圆盘与圆形底盘的相对面接触，且叶片圆盘随套筒转动而使得摩擦材料与纳米级金属氧化物转动摩擦，叶片圆盘与套筒接触的位置，在连接杆的对应位置涂覆银浆，银浆与套筒内壁接触，在连接杆设置用于导线走线的凹槽，一条导线的起始端部与银浆接触，并由连接杆端部引出，另一条导线由圆形底盘引出。进一步的，所述的套筒为绝缘体套筒，其与叶片圆盘接触的位置为导体。进一步的，所述的圆形底盘的电极为其表面的镀金，摩擦材料为PET薄膜；所述的叶片圆盘的电极为其表面的镀金，纳米级金属氧化物为ZnO纳米棒；ZnO纳米棒组成ZnO纳米阵列在Au电极生长，有机聚合物PDMS包裹聚合生长在ZnO纳米阵列外表，刻蚀有机聚合物PDMS并暴露ZnO纳米棒的尖端。进一步的，风速传感器系统，包括整流电路、单刀双掷开关、V/F转换电路、计数器、滤波稳压电路、储电装置，两条导线连接在整流电路的两极，整流电路的输出连接在单刀双掷开关的动端，单刀双掷开关的不动端的一端连接V/F转换电路，V/F转换电路连接计数器，不动端的另一端连接滤波稳压电路，滤波稳压电路连接储电装置。进一步的，所述的连接杆为实心连接杆，其上的凹槽为5mm凹槽，连接杆长为10cm、横截面直径为20mm，圆形底盘的直径为8cm、厚度为1cm。进一步的，套筒长为10.6cm，横截面为同心圆，外圆直径为23mm，内圆直径为21mm，内、外圆之间为实心，连杆具有四根且均匀分布在套筒，连杆长为5cm，半球形风叶直径为4cm，叶片圆盘的直径为8cm，厚度为0.6cm。进一步的，V/F转换电路，包括LM331芯片，LM331把电压信号转换为脉冲信号,脉冲信号送到89C51的计数/定时端口,由控制器对频率信号进行接收、处理、储存，并将输出与LED数码管连接，根据采集到的频率数据的间隔测算整理出模拟信号,模拟信号到数字信号转换,观察输出数字信号，并对应测算出不同风速的。进一步的，滤波稳压电路包括电容，将脉动直流电通过电容滤波产生较为平滑的直流电，通过LM317稳压电路得到更为稳定的直流电信号。有益效果：上述方案，一方面，与传统的风速传感器相比，供电问题成为其网络式发展的瓶颈，供电系统的体积和数量过于庞大，甚至远大于传感网络，农业方面，自动化农业的发展使人们对传感网络的需求日益增长，因此，本专利技术利用风力纳米摩擦发电机与风速传感器结合的结构，通过风速传感器的自供电及自驱动解决了传感网络供电系统过于庞大的问题。具有重要的科学意义以及实际的应用价值。另一方面，和经典电磁发电机相比，摩擦纳米发电机在低频下的更为高效TENG可以用来收集生活中原本浪费掉的各种形式的机械能，实现自驱动功能，解决了大型传感网络供电困难的问题，改进了感应电流产生的新模式和新机制。本专利技术利用风能发电，使风能这种可持续的绿色能源被有效地开发利用。并可以农业方面加以利用，随着农业智能化和电气化的普及，这种低功耗传感器系统将会起到越来越重要的作用。附图说明图1整体装置模型图；图2实心连接杆示意图；图3套筒示意图；图4A模块整体效果图；图5叶片圆盘示意图；图6圆形底盘示意图；图7B模块电路图；图8发电模式过程示意图；图9不同转速下纳米摩擦发电机输出电流图；图10不同转速下纳米摩擦发电机输出电压图；图11LM331的内部电路图；图12电压变化图。其中：1.圆形底盘，2.连接杆，3.套筒，4.叶片圆盘，5.电极，6.导线1，7.导线2，8.半球形风叶,9.凹槽,10.PET薄膜,1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于摩擦纳米发电机的自驱动农业物联网风速传感器，其特征在于，包括风力纳米摩擦发电机、风速传感器系统，所述的风速传感器系统包括整流电路、储能装置，风力纳米摩擦发电机产生交流电信号，整流电路将交流电信号整流为交流与直流电混合的脉动直流电信号，脉动直流电信号用于测算风速，且在必要时由储能装置将部分电能存储在储能装置。

【技术特征摘要】
1.一种基于摩擦纳米发电机的自驱动农业物联网风速传感器，其特征在于，包括风力纳米摩擦发电机、风速传感器系统，所述的风速传感器系统包括整流电路、储能装置，风力纳米摩擦发电机产生交流电信号，整流电路将交流电信号整流为交流与直流电混合的脉动直流电信号，脉动直流电信号用于测算风速，且在必要时由储能装置将部分电能存储在储能装置。2.如权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的自驱动农业物联网风速传感器，其特征在于，在必要时由脉动直流电对风速传感器系统的耗电元件供电。3.如权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的自驱动农业物联网风速传感器，其特征在于，风力纳米摩擦发电机，包括底部带有圆形底盘(1)的连接杆(2)、套筒(3)、叶片圆盘(4)、圆形底盘(1)、电极(5)、导线，套筒(3)套接在实心连接杆(2)外周，套筒(3)上部沿着套筒(3)径向连接有若干连杆，连杆的端部是半球形风叶(8)，叶片圆盘(4)套接并紧固在套筒(3)的外周，叶片圆盘(4)与圆形底盘(1)的相对面设置有电极(5)，一个电极(5)覆有摩擦材料，一个电极(5)生长有纳米级金属氧化物，叶片圆盘(4)与圆形底盘(1)的相对面接触，且叶片圆盘(4)随套筒(3)转动而使得摩擦材料与纳米级金属氧化物转动摩擦，叶片圆盘(4)与套筒(3)接触的位置，在连接杆(2)的对应位置涂覆银浆，银浆与套筒(3)内壁接触，在连接杆(2)设置用于导线走线的凹槽(9)，一条导线的起始端部与银浆接触，并由连接杆(2)端部引出，另一条导线由圆形底盘(1)引出。4.如权利要求3所述的基于摩擦纳米发电机的自驱动农业物联网风速传感器，其特征在于，所述的套筒(3)为绝缘体套筒(3)，其与叶片圆盘(4)接触的位置为导体。5.如权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的自驱动农业物联网风速传感器，其特征在于，所述的圆形底盘(1)的电极(5)为其表面的镀金，摩擦材料为PET薄膜(10)；所述的叶片圆盘(4)的电极(5)为其表面的镀金，纳米级金属氧化物为ZnO纳米棒；ZnO...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙炎辉，杜海英，侯腾跃，隋东均，
申请(专利权)人：大连民族大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21