双摩擦纳米发电机与磁耦合谐振式无线测速系统及方法与流程

1.本发明属于无线测速技术领域，具体涉及一种以摩擦纳米发电机为能源的双摩擦纳米发电机与磁耦合谐振式无线测速系统及方法。


背景技术：

2.随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，人们在使用有线网络的同时，还可以充分利用无线网络将事物连接起来。这就催生了物联网无线传感器网络，其主要应用于环境科学、智能家居环境、精准农业和新兴的空间探索领域。无线传感器网络的基本组成和功能包括以下几个单元：传感单元(由各类传感器和模数转换功能模块组成)、处理单元(由嵌入式系统组成，包括cpu、存储器、嵌入式操作系统等)、通信单元(由无线通信模块组成)和供电单元。
3.目前，无线传感器网络在交通监控系统中有着广泛的应用。控制交通流量和限速已成为交通监控实时监控系统的重要任务，比如提供摩托车行驶的实时信息。测量速度的方法有很多种。雷达和激光雷达等主动传感器计算入射频率和接收频率信号之间的时间差，以测量车辆的速度。红外探测和激光探测也是测量车速的方法，但这种方法对健康有害。此外，通过摄像头对连续视频图像进行分析，也是跟踪违法车辆行驶进度的常用方法。目前，模拟摄像机和光纤传输方式广泛应用于交通监控领域。显然，目前主流的智能交通监控系统价格昂贵，需要电池供电设备，无法及时处理违章行为，给社会和受害者造成了无法预料的损失。虽然这些技术可以应用于交通监控领域，但它们不仅需要电池为设备供电，而且价格昂贵，不符合当前绿色能源和可持续发展的发展战略。
4.摩擦纳米发电机，作为一种新型的纳米能源，可以将传感器周围的环境机械振动(走路，行驶车辆)转换为电能，具有体积小、成本低、性能高的优点。自供电无线测速系统和自供电无线识别系统是智能交通系统最早的发展方向。自供电无线传感的概念是当前研究和发展的热点。然而，这些类型的自功率传感器系统需要收集来自环境的能量，将其存储在能量存储设备中，然后通过电压调节器模块为无线传感器系统供电，使得信号传输会有很大的延迟。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种双摩擦纳米发电机与磁耦合谐振式无线测速系统及方法，结合摩擦纳米发电机新型纳米能源，直接将待测速物体的机械能转化为电能为磁耦合谐振式发射模块提供能量，不需要外界提供电能，而且采用磁耦合共振无线传输，在发射机(磁耦合谐振式发射模块)处包含频率信息的信号可以方便地通过磁共振耦合感应线圈(电感l1)无线传输到接收机(磁耦合谐振式接收模块)。
6.本发明双摩擦纳米发电机与磁耦合谐振式无线测速系统，包括摩擦纳米发电机一、摩擦纳米发电机二、磁耦合谐振式发射模块、磁耦合谐振式接收模块和信号采集与处理模块；所述的磁耦合谐振式发射模块为由电容c1和电感l1构成的rlc谐振电路；所述的磁耦
合谐振式接收模块为由电容c2和电感l2构成的rlc谐振电路。摩擦纳米发电机一的两个电压信号输出端与摩擦纳米发电机二的两个电压信号输出端分别连接，摩擦纳米发电机二的两个电压信号输出端与电容c1的两端分别连接；电感l2的两端均与信号采集与处理模块连接。
7.优选地，所述摩擦纳米发电机一和摩擦纳米发电机二的结构完全相同，均包括基板、导电电极、摩擦电板、接触电极二、接触电极一、弹簧和联动开关；两块基板相对设置，且两块基板的内侧面通过间距排布的两根弹簧连接；两块基板的内侧面上均固定有一个导电电极；两个导电电极相对的面上均固定一块摩擦电板；两块摩擦电板间距设置；联动开关的一端与其中一块基板的内侧面固定，另一端设有弯折部；所述弯折部的内侧面固定有接触电极一；另一块基板的侧部设有一体成型的电极支撑板；所述电极支撑板的外侧面固定有接触电极二，接触电极二与接触电极一接触；所述的电极支撑板开设有通孔；与设有电极支撑板的那块基板固定的导电电极和接触电极二通过导线连接，导线穿过电极支撑板的通孔；与另一块基板固定的导电电极和接触电极一分别作为一个电压信号输出端。
8.优选地，所述磁耦合谐振式发射模块中的电容c1和电感l1并联，磁耦合谐振式接收模块中的电容c2和电感l2也为并联，信号可以传输更远。
9.更优选地，所述的电感l1和电感l2均是带磁芯的线圈，线圈直径为5cm，可以实现无线传输1m以上。
10.更优选地，所述电容c1和电容c2的电容值均在0pf到100pf之间取值，所述的电感l1和电感l2的电感量均在20μh到100uh之间取值。
11.更优选地，所述的摩擦纳米发电机一以及摩擦纳米发电机二中，均是一块摩擦电板采用正性摩擦电材料，另一块摩擦电板采用负性摩擦电材料。
12.优选地，所述的信号采集与处理模块为集成了模数转换模块的fpga模块。
13.该双摩擦纳米发电机与磁耦合谐振式无线测速系统的无线测速方法，具体如下：
14.将摩擦纳米发电机一和摩擦纳米发电机二间距固定；当待测速物体通过摩擦纳米发电机一时，在摩擦纳米发电机一的联动开关控制下，摩擦纳米发电机一输出一个正向脉冲电压；当待测速物体通过摩擦纳米发电机二时，在摩擦纳米发电机二的联动开关控制下，摩擦纳米发电机二输出另一个正向脉冲电压；磁耦合谐振式发射模块的电感l1在脉冲电压的激励下产生一个衰减震荡信号；磁耦合谐振式接收模块的电感l2以谐振耦合的方式接收电感l1的衰减震荡信号，并产生同频率的另一个衰减震荡信号，被信号采集与处理模块采集；信号采集与处理模块计算待测速物体通过摩擦纳米发电机一时接收到的衰减震荡信号与待测速物体通过摩擦纳米发电机二时接收到的衰减震荡信号的时间差，并根据摩擦纳米发电机一与摩擦纳米发电机二的距离计算出待测速物体的移动速度。
15.优选地，所述摩擦纳米发电机一和摩擦纳米发电机二的距离在20cm到5m之间取值。
16.本发明具有的有益效果：
17.本发明由于结合摩擦纳米发电机新型纳米能源，直接将待测速物体的机械能转化为电能为磁耦合谐振式发射模块提供能量，不需要外界提供电能；磁耦合谐振式发射模块的谐振信号通过线圈谐振耦合发送出去，磁耦合谐振式接收模块可以很轻松地接收到磁耦合谐振式发射模块的信号；同时信号传输结构很简单，没有有源器件，除了无源电容器和线
圈之外，磁共振耦合感应线圈也不需要额外的电子设备，成本低。当待测速物体依次通过摩擦纳米发电机一和摩擦纳米发电机二时，通过信号采集与处理模块可以计算接收到的衰减震荡信号时间差，且由于摩擦纳米发电机一和摩擦纳米发电机二的间距是固定的，所以待测速物体的速度很容易被测得，测速更精确。可见，本发明为无线测速提供了全新的解决方案，不再需要额外提供直流电源，或者昂贵的雷达器件等等，而是利用摩擦纳米发电机提供能量，并结合简单的lc谐振电路，实现无线测量待测速物体的速度。另外，本发明还可以用来对车辆无线计数。
附图说明
18.图1是本发明的结构示意图；
19.图2为本发明中摩擦纳米发电机一或摩擦纳米发电机二的结构示意图；
20.图3为本发明中摩擦纳米发电机一或摩擦纳米发电机二的输出电压波形图；
21.图4是本发明中磁耦合谐振式发射模块产生的衰减震荡信号波形图；
22.图5是本发明中信号采集与处理模块采集的信号波形图；
23.图中：1、摩擦纳米发电机一，2、摩擦纳米发电机二，3、磁耦合谐振式发射模块，4、磁耦合谐振式接收模块，5、信号采集与处理模块；6、基板，7、导电电极，8、摩擦电板，9、接触电极二，10、接触电极一，11、弹簧，12、联动开关。
具体实施方式
24.为了更为具体地描述本发明，下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
25.如图1所示，双摩擦纳米发电机与磁耦合谐振式无线测速系统，包括摩擦纳米发电机一1、摩擦纳米发电机二2、磁耦合谐振式发射模块3、磁耦合谐振式接收模块4和信号采集与处理模块5；磁耦合谐振式发射模块3为由电容c1和电感l1(电感l1具有内阻r1)构成的rlc谐振电路；磁耦合谐振式接收模块4为由电容c2和电感l2(电感l2具有内阻r2)构成的rlc谐振电路。磁耦合谐振式发射模块中的电容c1和电感l1并联，磁耦合谐振式接收模块中的电容c2和电感l2也为并联。摩擦纳米发电机一1的两个电压信号输出端与摩擦纳米发电机二2的两个电压信号输出端分别连接(即摩擦纳米发电机一1和摩擦纳米发电机二2并联)，摩擦纳米发电机二2的两个电压信号输出端与电容c1的两端分别连接；电感l2的两端均与信号采集与处理模块5连接；信号采集与处理模块5为集成了模数转换模块的fpga模块，比如型号为ad9280的芯片。
26.作为一个优选实施例，如图2所示，摩擦纳米发电机一(teng1)1和摩擦纳米发电机二(teng2)2的结构完全相同，均包括基板6、导电电极7、摩擦电板8、接触电极二9、接触电极一10、弹簧11和联动开关12；两块基板6相对设置，且两块基板6的内侧面通过间距排布的两根弹簧11连接；两块基板6的内侧面上均固定有一个导电电极7；两个导电电极7相对的面上均固定一块摩擦电板8；两块摩擦电板8间距设置；两块摩擦电板8中，一块采用正性摩擦电材料(如pa66)，另一块采用负性摩擦电材料(如fep)；联动开关12的一端与其中一块基板的内侧面固定，另一端设有弯折部；弯折部内侧面固定有接触电极一10；另一块基板的侧部设有一体成型的电极支撑板；电极支撑板的外侧面固定有接触电极二9，接触电极二9与接触电极一10接触；电极支撑板开设有通孔；与设有电极支撑板的那块基板固定的导电电极7和
接触电极二9通过导线连接，导线穿过电极支撑板的通孔，与另一块基板固定的导电电极7和接触电极一10分别作为一个电压信号输出端。
27.摩擦纳米发电机一和摩擦纳米发电机二中，联动开关在两个摩擦电板间距最大时导通，在两个摩擦电板处于其它位置时断开；联动开关的作用是保证摩擦纳米发电机一和摩擦纳米发电机二只在两块摩擦电板分离到最大距离时给负载(磁耦合谐振式发射模块)供电。
28.该双摩擦纳米发电机与磁耦合谐振式无线测速系统的无线测速方法，具体如下：
29.将摩擦纳米发电机一和摩擦纳米发电机二间距固定；当待测速物体通过摩擦纳米发电机一时，在摩擦纳米发电机一的联动开关控制下，摩擦纳米发电机一输出一个正向脉冲电压，如图3所示；当待测速物体通过摩擦纳米发电机二时，在摩擦纳米发电机二的联动开关控制下，摩擦纳米发电机二输出另一个正向脉冲电压；磁耦合谐振式发射模块3的电感l1在脉冲电压的激励下产生一个衰减震荡信号，如图4所示；磁耦合谐振式接收模块的电感l2以谐振耦合的方式接收电感l1的衰减震荡信号，并产生同频率的另一个衰减震荡信号，被信号采集与处理模块采集；信号采集与处理模块采集到的衰减震荡信号如图5所示；信号采集与处理模块计算待测速物体通过摩擦纳米发电机一时接收到的衰减震荡信号与待测速物体通过摩擦纳米发电机二时接收到的衰减震荡信号的时间差，并根据摩擦纳米发电机一与摩擦纳米发电机二的距离计算出待测速物体的移动速度(图5中摩擦纳米发电机一和摩擦纳米发电机二的距离是1m，时间差是180ms，计算出的待测速物体移动速度为20km/h)。
30.另外，该双摩擦纳米发电机与磁耦合谐振式无线测速系统还可以用来对行驶车辆计数。