一种基于摩擦纳米发电机的发电传感一体化系统技术方案

本发明专利技术一种基于摩擦纳米发电机的发电传感一体化系统，在弧状外壳内侧的上下面依次贴附以PI为基底的软叉指电极对，将FEP薄膜粘贴在软叉指电极对的表面作为定子，裁剪好的栅状兔毛贴附于PI膜正反基底上作为动子，可通过细纱线缝合到人的衣服上，人体运动时牵引细纱线，带动动子在弧状结构内部往复滑动，进而产生电信号，为适应TENG的电输出特性，设计既适应纳米发电机特性又满足电子系统需求的高效无源电源管理电路，降低TENG的阻抗，提高能量利用效率以获得最大输出能量，设计低功耗的信号调理电路，解耦出适应电子系统的人体运动状态信号，设计低功耗单片机LP

【技术实现步骤摘要】
一种基于摩擦纳米发电机的发电传感一体化系统


[0001]本专利技术涉及发电传感一体化领域,尤其涉及一种基于摩擦纳米发电机的发电传感一体化系统。

技术介绍

[0002]物联网时代，低功耗电子、人机交互和无线技术的快速发展正在推动着可穿戴电子系统的快速创新，呈现出多功能化、智能集成化的发展趋势，并对可穿戴电子系统的自驱动、柔韧性与贴附性等特性提出了更高的要求，能量收集和传感集成是提高可穿戴电子系统智能和可持续性的核心，然而现有可穿戴电子系统功能单一、集成度低，这很大程度限制了可穿戴电子系统的进一步发展与实际应用。
[0003]诸多研究者们致力于开发柔性可穿戴电子系统，期望实现能量收集、传感等多功能于一体的集成，现有主要是利用纳米发电机从身体运动中收集能量，利用纳米发电机的电输出特性进行相关传感器的设计，但没有充分发挥出摩擦纳米发电机既可以作为电源又可以作为传感的优势、功能实现较为单一，结构较为复杂。
[0004]因此，需提供一种基于摩擦纳米发电机的发电传感一体化系统，集成传感、供电、结合低功耗电路，实现在收集人体运动能量的同时监测人体自身的运动状态信息。

技术实现思路

[0005]本专利技术提出了一种基于摩擦纳米发电机的发电传感一体化系统，集成传感、供电，并结合低功耗电路，实现在收集人体运动能量的同时监测人体自身的运动状态信息。
[0006]本专利技术的技术解决方案如下：包括摩擦发电组件、低功耗电路组件、弧形外壳，所述摩擦发电组件包括作为摩擦层的栅状兔毛、FEP薄膜、作为电极的叉指铜电极对，叉指铜电极对贴附弧状外壳内侧的上下面，FEP薄膜粘贴在叉指铜电极对的表面作为定子，栅状兔毛贴附于PI膜正反基底上作为动子，通过细纱线缝合到人的衣服上，人体运动时牵引细纱线，栅状兔毛与FEP薄膜发生相对位移，在叉指铜电极对之间就会产生交流电信号；
[0007]所述低功耗电路组件包括无源电源管理电路PPMC、电压调节电路VRC、信号调理电路LP
‑
SCC、低功耗单片机LP
‑
MCU、低功耗蓝牙BLE，无源电源管理电路PPMC对摩擦发电组件产生的交流电信号进行管理、存储、标准化直流电压输出；
[0008]电压调节电路VRC将直流电压稳定输出至电子系统所需要的电压；
[0009]信号调理电路LP
‑
SCC对摩擦发电组件产生的交流电信号进行解耦，以适配电子系统的特点；
[0010]低功耗单片机LP
‑
MCU对解耦后的电信号进行采集与处理，最终通过低功耗蓝牙BLE无线发送处理后的运动状态信息；
[0011]所述弧形外壳由软胶材料通过3D打印机制成，为摩擦发电组件、低功耗电路组件提供支撑并作为发电传感一体化系统的封装。
[0012]本专利技术具有如下有益效果:
[0013]1，系统集成度较高，结构紧凑，设计精巧，将柔性TENG和低功耗电路都集成在系统内部，柔性弧状外壳作为支撑并作为系统的封装，柔性弧形支撑物的设计最大化的对空间进行了利用。该系统可以与衣服融为一体，当人体运动时带动衣服运动，间接牵引细纱线，驱动动子在弧状结构内部往复滑动，从而产生电信号。
[0014]2，充分利用纳米发电机可作为能量收集器和传感器的独特优势，以低频人体运动能量收集为出发点，结合低功耗电路设计，构建发电传感一体化系统，成本低廉，在高效低功耗电路设计的同时，也有效降低了低功耗电路的搭建制造成本。
[0015]3，TENG输出的交流电信号分两路流动，其中一路通过PPMC、VRC和储能元件来管理和存储收集到的能量，另一路通过LP
‑
SCC、LP
‑
MCU和BLE来解耦、处理和无线发送运动状态信息，实现发电传感一体化。
附图说明
[0016]图1为本专利技术的摩擦发电组件TENG的结构示意图。
[0017]图2为实现本专利技术发电传感一体化系统的原理框图。
[0018]图3为实现本专利技术发电传感一体化系统的工作原理图。
[0019]图4为本专利技术发电传感一体化系统对应解耦的适应电子系统的人体运动状态信号。
[0020]图5为中5a和5b是单独用于发电、发电传感一体化时的能量输出对比图。
具体实施方式
[0021]为有关本专利技术的前述及其他
技术实现思路
、特点与功效，在以下配合参考附图1至5对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的结构内容，均是以说明书附图为参考。
[0022]下面将参照附图描述本专利技术的各示例性的实施例。
[0023]实施例一，一种基于摩擦纳米发电机的发电传感一体化系统，包括摩擦发电组件1也即TENG、低功耗电路组件2、弧形外壳3，所述摩擦发电组件1包括作为摩擦层的栅状兔毛12、FEP薄膜13、作为电极的叉指铜电极对14，叉指铜电极对14贴附弧状外壳11内侧的上下面，叉指铜电极对14为柔性印刷电路板FPCB制作的以PI为基底的柔性叉指铜电极对，FEP薄膜13粘贴在叉指铜电极对14的表面作为定子，栅状兔毛12贴附于PI膜正反基底上作为动子，定子和动子组成摩擦纳米发电机，通过细纱线分别缝制在衣物的其中一层布料上，人体运动时牵引细纱线，栅状兔毛12与FEP薄膜13发生相对位移，由于摩擦起电与静电感应的耦合效应，在叉指铜电极对14之间就会产生交流电信号，TENG在进行人体能量收集的同时携带有运动状态信息，利用TENG既作为能量源又作为传感的独特优势，将TENG的电输出信号与解耦的人体运动状态信息建立对应关系，但其具有高电压、低电流以及高阻抗的特性，与电子系统需要的稳定直流功率输出不匹配，具体的TENG交流电信号分两路流动，其中一路通过PPMC、VRC和储能元件来管理和存储收集到的能量，另一路通过LP
‑
SCC、LP
‑
MCU和BLE来解耦、处理和无线发送运动状态信息；
[0024]所述低功耗电路组件2包括无源电源管理电路PPMC以下简称PPMC、电压调节电路VRC以下简称VRC、信号调理电路LP
‑
SCC以下简称LP
‑
SCC、低功耗单片机LP
‑
MCU以下简称LP
‑
MCU、低功耗蓝牙BLE以下简称BLE，无源电源管理电路PPMC对摩擦发电组件产生的交流电信号进行管理、存储、标准化直流电压输出；
[0025]电压调节电路VRC将直流电压稳定输出至电子系统所需要的电压；
[0026]信号调理电路LP
‑
SCC对摩擦发电组件产生的交流电信号进行提取和调理，解耦出适应电子系统的人体运动状态信号，以适配电子系统的特点；
[0027]低功耗单片机LP
‑
MCU对解耦后的电信号进行采集与处理，最终通过低功耗蓝牙BLE无线发送处理后的运动状态信息；
[0028]所述弧形外壳3由软胶材料通过3D打印机制成，为摩擦发电组件1、低功耗电路组件2提供支撑并作为发电传本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于摩擦纳米发电机的发电传感一体化系统，包括摩擦发电组件(1)、低功耗电路组件(2)、弧形外壳(3)，其特征在于，所述摩擦发电组件(1)包括作为摩擦层的栅状兔毛(12)、FEP薄膜(13)、作为电极的叉指铜电极对(14)，所述叉指铜电极对(14)贴附在弧状外壳(11)内侧的上下面，FEP薄膜(13)粘贴在叉指铜电极对(14)的表面作为定子，栅状兔毛(12)贴附于PI膜正反基底上作为动子，通过细纱线缝合到人的衣服上，人体运动时牵引细纱线，栅状兔毛(12)与FEP薄膜(13)发生相对位移，在叉指铜电极对(14)之间就会产生交流电信号；所述低功耗电路组件(2)包括无源电源管理电路PPMC、电压调节电路VRC、信号调理电路LP
‑
SCC、低功耗单片机LP
‑
MCU、低功耗蓝牙BLE，无源电源管理电路PPMC对摩擦发电组件产生的交流电信号进行管理、存储、标准化直流电压输出；电压调节电路VRC将直流电压稳定输出至电子系统所需要的电压；信号调理电路LP
‑
SCC对摩擦发电组件产生的交流电信号进行解耦，以适配电子系统的特点；低功耗单片机LP
‑
MCU对解耦后的电信号进行采集与处理，最终通过低功耗蓝牙BLE无线发送处理后的运动状态信息；所述弧形外壳(3)由软胶材料通过3D打印机制成，为摩擦发电组件(1)、低功耗电...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑海务，刘续，吴永辉，梁留洋，王中坤，李博，
申请(专利权)人：河南大学，
类型：发明
国别省市：