一种自供能风速风向传感器

技术领域

本发明属于风速风向检测领域，具体涉及风速的检测，主要是一种自供能风速风向传感器。

背景技术

近年来，随着人工智能和物联网技术的不断发展，作为物联网重要基础的传感器技术愈发显示出重要地位。摩擦纳米发电机作为一种先进的低频能量收集手段，可实现传感器件无源化即自供能传感。摩擦电效应是一种接触感应带电，即一种材料通过与另一种材料摩擦接触后带电的现象。一种物质所带电荷的符号取决于它与所接触物质的相对极性。摩擦纳米发电机就是通过堆叠两个具有不同的电子亲和能的材料制成，一旦受到机械变形、接触等外力作用，由于纳米级表面粗糙度，两种材料之间产生的摩擦或接触分离会在两侧产生相等数量但极性相反的电荷迹象。因此，在界面区域形成了摩擦电势层，由摩擦起电和静电感应效应相耦合，如果系统电容发生变化，则该摩擦电势层将用作电荷“泵”，从而驱动外部负载中的电子流动。

现有的基于TENG技术的风能收集和风速传感器件，他们的工作模式大多为接触分离式，要想获得高的电输出性能，需要薄膜与电极有良好的接触，现有的技术，例如平行板结构，当风驱动薄膜振动时，薄膜与电极的有效接触面积比较小，无法发挥出器件的全部性能。当器件处于高湿度的环境中时，空气中的水分子附着在薄膜和电极材料上，使得聚合物薄膜受风力驱动起振时无法与电极材料紧密接触，削弱了接触起电效应，使接触产生的感应电荷量减少。直观的看来，高湿度会减弱摩擦纳米发电机器件的电流电压输出，我们也无法从电信号的幅值中得出准确的风速。这就是现有技术显著存在的两个缺点。目前的自驱动流量计存在着体积大，重量高，应用范围受限等缺点。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种自供能风速风向传感器，具体技术方案如下：

一种自供能风速风向传感器，包括风速传感器、风向标、挡板和光传感器，所述风速传感器位于风向标上方，风向标底部设置挡板，挡板一侧设置光传感器；所述风速传感器包括“人”字型框架、框架的两个内侧上的金属片和喷涂纳米颗粒的薄膜，所述薄膜一端粘在人字形框架顶部，一端向下自由放置。风向标底部的挡板和光传感器用板封装起来。

在风速风向测量中，置于环境中，风吹动风向标转动，顺带带动地下的挡板转动，挡板切割光传感器，然后根据切割信号可以得到转动的方向，进而确定风向，此时当风向标的圆头一端指向风吹来的方向时，此时风速传感器开始工作，气流传入到“人”字型框架内，在薄膜两侧形成涡流带动薄膜震动与两侧的金属片形成接触-分离摩擦起电，两金属片外接电路，这样会形成交流电信号，进而实现自供给，薄膜的振动频率与风速关联，薄膜的振动频率又与交流电信号关联，进行信号传输可以反推算出风速的大小。

作为进一步的改进，其特征在于：所述挡板为拥有八个角的中空圆形结构，相邻两个角之间夹角为45°，挡板的外沿可以穿过光传感器。

挡光板挡住光传感器与不遮挡光传感器时，传感器发出的信号不一样，当挡光板均匀排布时，风向标转动角度带动挡板转动，可以通过光传感器发出的信号，得知遮挡了几次，进而大致推算出风向标转动角度，推算出风向。

作为进一步的改进，其特征在于：光传感器设置两个。

设置两个光传感器，可以从信号中得知旋转是顺时针还是逆时针转动，更加精确转动方向。

作为进一步的改进，其特征在于：在薄膜两面上喷涂聚四氟乙烯纳米颗粒。喷涂聚四氟乙烯之后的薄膜可以帮助薄膜两面实现纳米尺度的表面改性，进而增加有效摩擦面积。

作为进一步的改进，其特征在于：所述框架由亚克力制成。

作为进一步的改进，其特征在于：所述金属片为铝箔。

作为进一步的改进，其特征在于：所述薄膜尺寸为20mm*5mm。

作为进一步的改进，其特征在于：所述金属片的夹角为30°。设置角度，一方面可以增加金属片与薄膜的接触面积，增强传输信号，另一方面过大不利于测试微风的风速，因此一般是选15-45°。

作为进一步的改进，其特征在于：所述“人”字型框架自分离部分开始，边缘磨制成楔形角结构。这样可以增强聚风效果。

本发明的有益效果：本发明提供的一种风速风向传感器，实现了器件的小型化和轻型化，通过先风向吹动转动测得风向，然后以风速传感器传出的信号频率为对应风速的特征值，避免了复杂环境下摩擦纳米发电机输出降低的问题，可以把微风的风力等级也精准测出。

附图说明

图1 为本发明的结构示意图；

图2为本发明汇总风速传感器的结构示意图；

图3为本实施例中自供能风速传感器工作原理图；

图4为本实施例中风速与信号频率的关系示意图；

图5为本实施例中薄膜在不同长度和对应不同长宽比下电流输出对比；

图6为本实施例中不同长度和长宽比的薄膜的起振风速。

其中：1-风速传感器，2-风向标，3-光传感器，4-挡板，5-封装板，11-连接板，12-“人”字型框架，13-铝箔，14-薄膜。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对保护范围构成限定。

一种自供能风速风向传感器，参考图1，包括风速传感器1、风向标2、挡板4和光传感器3，所述风速传感器1位于风向标2上方，风向标2底部设置八个角的中空圆形结构的挡板4，相邻两个角之间夹角为45°，挡板4一侧设置两个光传感器3，挡板4的外沿可以穿过光传感器3，光传感器3与挡板4通过封装板5封装，防止测风时被外界风吹动而影响测量；所述风速传感器1见图2，包括亚克力“人”字型框架12、框架的两个内侧上的铝箔13和喷涂聚四氟乙烯纳米颗粒纳米颗粒的薄膜14，所述薄膜14一端粘在人字形框12架顶部，一端向下自由放置，两个铝箔13的夹角为30°，“人”字型框架12自分离部分开始，边缘磨制成楔形角结构，“人”字型框架12的上端与下端分别与连接板11连接，中间的中空构成集风装置。

将本实施例中的自供能风速风向传感器放置在室外，首先原先风向标指向方向作为初始方向，在风的吹动下，风向标转动，带动下方的挡板转动，挡板的角依次穿过光传感器，光传感器在被遮挡和不被遮挡时发出的信号不一样，依据两个光传感器传输来的信号，可以知道旋转是顺时针还是逆时针也可以知道旋转角度，进而推算出风的方向。

风向测试好之后，风速传感器中的铝箔外接电路，气流经过器件时，在薄膜的左右端产生交替的涡流，涡流在薄膜两侧产生交替的低压区，驱动聚合物薄膜在铝箔之间周期性的颤动，与两侧的铝箔不断的接触或分离，如图3所示。在几次接触和分离后，由于摩擦电效应，PTFE薄膜的两面都带负电，铝板带正电；当PTFE薄膜接近右侧铝板，右侧铝板的电位由于静电感应而变得低于左侧的铝板的电位，从而导致电流从左向右流过外部电阻；而当PTFE薄膜向左电极移动时，反向电流从右电极流回左电极，此时产生了整个信号周期。整个传感器部分无须外界持续供电，可以实现自驱动。同时，将经过PTFE薄膜的振动频率作为主要传输信号，传输薄膜振动产生的电流信号，将其传导到Matlab软件中计算得出电流信号的频率，再由频率推出风速，在经过一系列测试后，可以得到信号频率与气流速度的关系，见图4。可以看出，随着气流速度增大，电流产生频率也增大。

为了能够尽可能的的检测到微风的风速，选择不同尺寸薄膜进行实验测试，其结果如图5和图6所示，我们可以看出选择20mm*5mm的薄膜只需要3m/s的微风即可驱动薄膜颤动，保证了信号的精确度。

本实施例提供的自供能风速传感器，实现了器件的小型化和轻型化，以该传感器传出的信号频率为对应风速和风向的特征值，避免了复杂环境下摩擦纳米发电机输出降低的问题，选择合适的薄膜尺寸时，可以把微风的风力等级也精准测出，其应用于户外环境监测具有良好的用处。