一种基于高效旋转摩擦纳米发电装置的智能交通检测系统

技术领域

本发明涉及摩擦纳米发电机技术领域，重量检测技术领域，具体涉及于一种基于高效旋转摩擦纳米发电装置的智能物联网交通检测系统。

背景技术

目前，能源问题依旧是人类实现可持续发展所要面临重大难题之一，传统化石能源由于其固有的问题迫使我们向各种方向追求新的可持续利用能源来或多或少地取代它的使用，例如太阳能，风能，波浪能等。自从王中林院士在2012年提出摩擦纳米发电机(TENG)这一新型能量收集技术之后，无污染的新型能源又迎来了一位新的成员。摩擦纳米发电机的工作原理主要是基于不同摩擦电特性的两种材料之间的摩擦起电效应与可以带来电势差的静电感应效应的耦合，拥有结构简单、低成本、操作方便等优点。摩擦纳米发电机主要有四种工作模式：接触分离模式，水平滑动模式，单电极模式和独立层模式。四种接触模式为许多形式的环境能或机械能的收集提供了可实现的途径，应用场景非常广泛。

传感技术作为一种高效便捷的信息化技术，在日常的生活中被广泛应用，尤其是物联网时代的不断深入发展，更是离不开各种传感器的设计与使用。在测量方面，通过应用传感器技术可以实现方便快捷的智能化测量。

道路安全在交通工具遍布的今天显得尤为重要。因此，方便快捷有效的交通检测系统也显得更加重要，使用传感器进行车辆运动的各种信号的采集显然是一种方便快捷的方法。

测量传感器固然方便，但传感器自身的正常工作需要电能进行信号的收集与转化。其中，重量测量传感器可以被应用于各种限重路段的车辆重量测试以便于预防的保护相关道路上的安全问题，增加相关道路的使用寿命。但是，在一些稍偏远、无人看护、或者供电不方便的地区，以及交通物联网负载网络中传感器的电力供应/管理就成了一项需要解决的重要问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于高效旋转摩擦纳米发电装置的智能物联网交通检测系统，以解决上述现有技术存在的问题，通过将车辆经过时的低频率的竖直方向运动转换为旋转运动后进行增速调制，与旋转摩擦纳米发电机结合进行能量储存，同时根据输出的电信号是否达到阈值来检测车辆是否超重。

本发明的技术方案为：一种基于高效旋转摩擦纳米发电装置的智能物联交通检测系统，包括：检测上斜坡(1)，弹簧(2)，承重板(3)，大齿轮轴(4)，摩擦电机支承(5)，凸轮轴(6)，小齿轮(7)，检测下斜坡(8)，小齿轮轴(9)，小齿轮轴支承(10)，大齿轮(11)，底板(12)，大齿轮轴支承(13)，凸轮(14)，固定锥桶(15)，负摩擦层(16)，绝缘锥桶(17)，扇形金属电极(18)和扇形正摩擦层(19)；

所述检测上斜坡(1)和检测下斜坡(8)之间的底部设有底板(12)，通过弹簧(2)支撑上部的承重板(3)；所述检测上斜坡(1)背面具有限位凸块部分，防止承重板向下位移过多挤压齿轮；限位凸块开有凹槽用于放置红外感应器；所述检测下斜坡(8)背部具有限位凸块部分，防止承重板向下位移过多挤压齿轮；所述底板(12)上具有分别用于固定大齿轮(11)和小齿轮(9)的大齿轮轴支承(13)与小齿轮轴支承(10)，其外侧延伸部分上具有用于固定摩擦纳米发电机的摩擦电机支承(5)，同时开有用于齿轮与摩擦电机转动的对应矩形开口；所述承重板(3)底部具有凸块，凸块上开有用于吻合凸轮运动轨迹的弧形槽，该弧形的曲率中心位于凸轮宽端圆心处，通过凸轮轴(6)与凸轮窄端连接；所述承重板(3)靠近检测上斜坡一段开有U型开口；

所述摩擦电机支承(5)一侧固定有锥桶(15)，锥桶(15)内侧贴附八个均匀分布的扇形金属电极(18)，其大小与扇形正摩擦层(19)大小相等；锥桶(15)内嵌有负摩擦层(16)，负摩擦层(16)内嵌有绝缘锥桶(17)；所述负摩擦层(16)贴附在扇形金属铜电极内侧，呈锥桶型；所述小齿轮轴(9)延伸至摩擦电机支承(5)，带动绝缘锥桶(17)同步转动；

所述凸轮(14)一端固定在大齿轮轴(4)上，另一端通过凸轮轴(6)与承重板(3)下端凸起部分相连。

进一步，绝缘锥桶(17)内侧沿内壁均匀阵列四个扇形正摩擦层(19)。

进一步，所述绝缘锥桶(17)与固定锥桶(15)的材料选用亚克力板。

进一步，圆形负摩擦层(16)的材料采用气相沉积了二硫化钼的PVC。

进一步，所述小齿轮(9)与大齿轮(11)满足啮合条件，且与各自齿轮轴同步转动，同时大齿轮的齿数大于小齿轮的齿数以获得小于1的传动比来实现加速，两个齿轮可根据具体情况选择直齿轮或斜齿轮。

本发明的一种智能物联网交通监测装置，包括权利要求1-5中任一项所述的旋转摩擦纳米发电装置，还包括全桥整流电路(20)，电容器(21)，前置电流放大器(22)，数据采集卡(23)，电-重量信号转换程序(24)，电-时间信号转换程序(26)，超重警报器(25)，时间-速度信号转换程序(27，超速警报器(28)和红外感应器(29)；

车辆驶检测上斜坡(1)后底盘触发红外感应装置开始一次测试，接着每对轮胎给予承重板特定的压力，承重板(3)在向下运动过程中通过凸轮(14)带动大齿轮(11)转动，大齿轮(11)与小齿轮(7)啮合带动小齿轮加速转动，快速转动的小齿轮(7)带动摩擦发电机转动，通过摩擦起电与静电感应产生交变电流，整流后为用电器供电，同时不同的压力对应不同的转速而给予旋转摩擦纳米发电机不同的频率，从而输出对应的不同的一组电压与电流信号，车辆底盘离开红外感应装置后结束一次测试，通过整合一次测试中各组数据输出相应的重量信号，通过间隔放置两个该装置获得相应的行驶时间信号，输出相应的速度信号；

所述全桥整流电路(20)与扇形金属电极(18)连接，对电流进行整流；

所述电容器(21)，前置电流放大器(22)，数据采集卡(23)，超重警报器(25)，超速警报器(28)和红外感应器(29)均与全桥整流电路(20)连接，由摩擦纳米发电机产生的电能进行供电；

所述电-重量信号转换程序(24)在数据采集卡(23)和超重警报器(25)之间用于将一次记录中的各组电压与电流信号转换成对应的压力信息，最后进行整合计算输出为对应的整车压力信号；

所述电-速度信号转换程序(26)在数据采集卡(23)和时间-速度信号转换程序(27)之间用于将电信号转化为时间信号，即为记录电信号产生的时间间隔；

所述时间-速度信号转换程序(27)在电-速度信号转换程序(26)和超速警报器(28)之间用于通过时间信号与间隔距离进行计算，输出速度信号；

所述超重警报器(25)在获得超出限制重量的信号时发出警报；

所述超速警报器(28)在获得超出限制的速度信号时发出警报；

所述红外感应器(29)用于在车辆底部进入感应范围时开始一次电信号的记录，在车辆底部离开感应范围时结束一次电信号的记录。

与现有的技术相比较，本发明的有益效果为：通过凸轮-承重板的运动模式将车辆压力下的竖直运动转换为低频旋转运动，可以承受较大的载荷而不容易损坏机构，同时通过传动比的设计实现加速齿轮结构，获得更高的摩擦发电效率，再通过锥桶型摩擦层的设计，可以在有限的高度上最大化摩擦面积，并且结构简单，提高了整体的电能输出，从而可以有效地收集能量，为检测系统提供电能；交通监测系统中超重检测是通过红外感应装置对车辆底盘地感应来确实电信号处理地开始与结束以保证记录的数据为单独的一整辆车的数据，同时在一次记录中对各组轮轮胎的压力信号进行记录与整合再输出可以最大限度的保证在车辆行驶过程中对车辆整体的重量计算的准确性。

附图说明

图1为摩擦纳米发电机与智能物联网超重检测系统的整体结构正面部分示意图；

图2为摩擦纳米发电机与智能物联网超重检测系统的整体结构侧背面部分示意图；

图3为摩擦纳米发电机与智能物联网超重检测系统的整体结构上面部分示意图

图4为多层锥桶型摩擦纳米发电机结构示意图

图5为摩擦纳米发电机绝缘锥桶部分外侧表面，即正摩擦层部分结构示意图；(a)为左视图；(b)为右视图；

图6为摩擦纳米发电机固定锥桶部分内侧表面，即负擦层与电极部分结构示意图；

图7为摩擦电能收集与交通监测电路示意图；

图8为交通监测逻辑简图；

图9为车辆经过时系统的不同速度获得过程；

其中，1-检测上斜坡；28-检测下斜坡；2-底板；3-承重板；4-弹簧；5-摩擦电机支承；6-大齿轮轴支承；7-大齿轮；8-小齿轮；9-小齿轮轴支承；10-绝缘锥桶；11-扇形正摩擦层；12-负摩擦层；13-扇形金属电极；14-凸轮；15-固定锥桶；16-大齿轮轴；17-小齿轮轴；18-凸轮轴；19-桥整流电路；20-电容器；21-前置电流放大器；22-数据采集卡；23-电-重量信号转换程序；25-电-时间信号转换程序；24-超重警报器；26-时间-速度信号转换程序；27-超速警报器和29-红外感应器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

本发明的目的是通过运动模式的转换，从而将车辆给系统带来的大载荷转换为低频率的转动，再通过加速得到高频率的摩擦发电，通过摩擦纳米发电机产生的电能进行能量储存同时根据电信号的不同检测车辆是否超重。

如图1-6所示，该旋转摩擦纳米发电装置包括：1-检测上斜坡，2-弹簧，3-承重板，4-大齿轮轴，5-摩擦电机支承，6-凸轮轴，7-小齿轮，8-检测下斜坡，9-小齿轮轴，10-小齿轮轴支承，11-大齿轮，12-底板，13-大齿轮轴支承，14-凸轮，15-固定锥桶，16-负摩擦层，17-绝缘锥桶，18-扇形金属电极和19-扇形正摩擦层；

连接关系为：承重板3下部具有安装凸轮轴6的弧形孔，通过凸轮轴6与凸轮14连接，凸轮14的另一端与大齿轮11都固定在大齿轮轴上，与大齿轮轴11同步转动；小齿轮7固定在小齿轮轴10上，与小齿轮轴7同步转动，同时与大齿轮11保持啮合关系；绝缘锥桶17固定在小齿轮轴10上，固定锥桶15固定在摩擦电机支承5上，两个圆盘带有摩擦层的一面互相接触。

具体的，承重板3承受向下的压力向下移动的同时推动凸轮14转动，凸轮14转动带动大齿轮轴10转动从而带动大齿轮11转动，小齿轮7因为啮合关系与大齿轮11同步转动，同时因为传动比的设计使得原本的转动频率上升，转动的小齿轮7带动小齿轮轴10快速转动，从而带动绝缘锥桶17快速转动，绝缘锥桶17上的扇形正摩擦层18与固定锥桶15上的负摩擦层16快速摩擦从而产生电荷，通过扇形金属电极之间的电势差输出电流；

进一步的，绝缘锥桶17一侧均匀圆周阵列四个扇形的正摩擦层11；

进一步的，绝缘锥桶17与固定锥桶15的材料可选但不限于亚克力板；

进一步的，负摩擦层16的材料可选但不限于采用气相沉积了二硫化钼的PVC以提高耐磨性能和寿命；

进一步的，所述小齿轮与大齿轮满足啮合条件，且与各自齿轮轴同步转动，同时大齿轮的齿数大于小齿轮的齿数以获得小于1的传动比来实现加速，两个齿轮可根据具体情况选择直齿轮或斜齿轮；

进一步的，本发明还提供一种智能物联超重检测装置，包括所述旋转摩擦纳米发电机、20-全桥整流电路、21-电容器、22-前置电流放大器、23-数据采集卡、24-电-重量信号转换程序、26-电-时间信号转换程序、25-超重警报器、27-时间-速度信号转换程序、28-超速警报器和29-红外感应器；

在该装置中，承重板不仅是摩擦发电的动力来源，同时也是交通检测的信号输入源。车辆驶上载重板之后所给予的竖直向下的压力带动所述的旋转摩擦纳米发电机运转，承重板-凸轮结构可以给系统带来较好的载荷承受能力；其缺点在于，竖直方向的运动模式向旋转运动模式转换的效率较低，且只能形成低频的短暂转换。因此，通过施用小齿轮来进行增速处理获得更高的速度。另外，锥桶型摩擦层的设计在有限的高度上最大化摩擦面积，并且结构简单，提高了整体的电能输出，从而获得更高的能量储存效率与更明显的电信号。摩擦产生的交变电流通过全桥整流电路20进行整流，然后大部分储存在电容器21中，小部分通过前置电流放大器22放大电流信号。对于不同的压力，将会给系统带来不同的速度，如图9所示，其中，n为弹簧个数，k为弹簧弹性系数，G为车辆重量。不同的速度将会给予凸轮和大齿轮不同的转速，在经过加速传动后给予旋转摩擦纳米发电机不同的转速，从而产生不同的，相对应的电信号。

图7为摩擦电能收集与交通检测示意图，对于所设计的旋转摩擦纳米发电机以及智能物联超重检测系统，摩擦纳米发电机中的八个扇形金属电极中有三对被选择来进行智能物联，有一对被选择用来输入电信号以进行超重与超速检测；

超重检测：红外感应器29在感应到车辆地板之后开始一次记录，单次记录中每对轮胎驶过时将会产生一组信号，红外感应器29感应不到车辆底板之后结束单次记录。记录中的每组电信号通过前置电流放大器和数据采集卡23进行采集，通过电-重量信号转换程序24将单次记录中的各组(即为各对轮胎)电信号整合，计算，转化为重量信号，一旦超过重量阈值，超重警报器25将会进行报警提示，

超速检测：间隔放置的两个装置分别通过电-时间信号转换程序25将电信号转化为时间信号来进行时间记录，再根据所获得的时间信号与间隔距离，通过时间-速度信号转换程序27将时间信号转化为速度信号，一旦超过速度阈值，超速警报器28将会进行警报提示。

综上所述，以上为本发明的整体结构与操作方法，整体结构可适用于较大的载荷冲击。通过弹性支承凸轮来进行运动模式的转化，在保证了结构的稳定性与耐用性的同时，也维持一定的转化效率，之后再通过加速齿轮的设计提高了运动传递效率。再通过锥心摩擦层的简单结构设计，在有限高度上尽可能增加摩擦面积，获得更高的发电效率，保证足够的能量供应，实现智能物联系统的能源利用与方便快捷的交通监测。

以上结合附图对本发明的实施方式进行了详细描述，但是本发明并不限于上述实施方式，其他基于本发明构思的前提下做出的任何改进都视为本发明的保护范围。