一种基于摩擦纳米发电机的电场谐振耦合无线传输系统的制作方法

1.本发明属于纳米能源技术领域，特别涉及一种基于摩擦纳米发电机的电场谐振耦合无线传输系统。


背景技术：

2.近年来，随着可穿戴/便携式设备、物联网和无线传感器网络等智能电子产品的不断发展，自供电系统引起了人们极大的兴趣，以满足对移动电源不断增长的需求。目前，自供电系统普遍使用线缆连接能量收集器和负载，这导致了很多不便，限制了自供电系统的发展。能量收集和无线传输是自供电系统迈向物联网的关键技术，两者相互结合是目前迫切的需求。因此，通过电场谐振耦合的方式无线传输信号或者能量的自供电无线传输系统具有广阔的应用前景。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种结构较为简单、鲁棒性强的基于摩擦纳米发电机的电场谐振耦合无线传输系统。
4.本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种基于摩擦纳米发电机的电场谐振耦合无线传输系统，包括纳米发电模块、发射器和接收器，所述的纳米发电模块包括摩擦纳米发电机和开关，所述的发射器包括第一电感和发射耦合器，所述的接收器包括第二电感、匹配电容和接收耦合器，所述的摩擦纳米发电机的电压输出端和所述的发射器连接，所述的开关串联在摩擦纳米发电机的电压输出端和所述的发射器之间，所述的发射耦合器和所述的接收耦合器相对。
5.本发明的工作原理如下：摩擦纳米发电机与开关协同工作。在摩擦纳米发电机工作过程中，开关有规律地闭合，将摩擦纳米发电机积累的电荷瞬间释放。每当开关闭合时，摩擦纳米发电机输出脉冲能量。这个脉冲能量在发射器中转化为振荡信号。振荡信号通过电场谐振耦合的方式从发射耦合器无线传输到接收耦合器，从而完成电能从发射器无线传输到接收器的过程，接收器输出的振荡信号可以被直接用于提取信息，也可以经过整流为设备供电。
6.在上述的基于摩擦纳米发电机的电场谐振耦合无线传输系统中，所述的发射器还包括补偿电容，所述的补偿电容并联在所述的第一电感的两端。通过设置补偿电容，使得发射器和接收器能够更好的匹配，从而提高传输效率。
7.在上述的基于摩擦纳米发电机的电场谐振耦合无线传输系统中，所述的匹配电容的电容值等于摩擦纳米发电机的等效电容值与所述的补偿电容的电容值之和；所述的第二电感的电感值等于第一电感的电感值。摩擦纳米发电机在分析中可以等效为一个电容和一个电压源的串联，因此匹配电容的电容值设置为等效电容和补偿电容之和，通过上述设置可以实现最佳传输效率。
8.在上述的基于摩擦纳米发电机的电场谐振耦合无线传输系统中，所述的摩擦纳米
发电机为垂直接触-分离式摩擦纳米发电机、水平滑动式摩擦纳米发电机、单电极式摩擦纳米发电机和独立层式摩擦纳米发电机中的一种。
9.在上述的基于摩擦纳米发电机的电场谐振耦合无线传输系统中，所述的发射耦合器和接收耦合器的形状大小相等且面对面相互对齐放置。
10.在上述的基于摩擦纳米发电机的电场谐振耦合无线传输系统中，所述的发射耦合器和接收耦合器均为一块耦合极板，或者所述的发射耦合器和接收耦合器均由两块耦合极板组成。
11.在上述的基于摩擦纳米发电机的电场谐振耦合无线传输系统中，所述的发射耦合器的耦合极板与接收耦合器的耦合极板间的耦合电容值在1pf-1nf之间。
12.在上述的基于摩擦纳米发电机的电场谐振耦合无线传输系统中，所述的耦合极板为采用导电材料制成导体薄板，所述的导电材料为铜、银、铁、铝、铜合金、银合金、铁合金、铝合金中的一种。
13.在上述的基于摩擦纳米发电机的电场谐振耦合无线传输系统中，所述的开关为机械开关或电子开关。
14.与现有技术相比，本基于摩擦纳米发电机的电场谐振耦合无线传输系统具有以下优点：
15.1、本发明具有结构相对简单，传输效率高，能耗低的特点，在便携/可穿戴设备、物联网和无线传感器网络等领域具有很好的应用前景。
16.2、本发明通过利用摩擦纳米发电机的本征特性，通过使用电场谐振耦合的方式，实现了摩擦纳米发电机输出信号/能量的无线传输。不同于电感耦合的方式，电场谐振耦合对极板间的对齐错位不敏感，提高了系统的鲁棒性。
附图说明
17.图1是实施例一的基于摩擦纳米发电机的电场谐振耦合无线传输系统的原理图。
18.图2是实施例一的摩擦纳米发电机的结构示意图。
19.图3是实施例一的第一电感l1两端的具体振荡信号波形图。
20.图4是实施例一的负载r
l
两端的典型输出信号波形图。
21.图5是实施例二的基于摩擦纳米发电机的电场谐振耦合无线传输系统的原理图。
22.图6是实施例三的基于摩擦纳米发电机的电场谐振耦合无线传输系统的原理图。
23.图中，1、纳米发电模块；1a、摩擦纳米发电机；2、发射器；2a、发射耦合器；3、接收器；3a、接收耦合器；4、第一基板；5、第二基板；6、第三基板；7、第一铝片；8、聚四氟乙烯薄膜；9、第二铝片；10、尼龙6薄膜；11、空隙；12、弹簧；13、开关触点；14、二极管。
具体实施方式
24.以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
25.实施例一：
26.如图1所示，本基于摩擦纳米发电机的电场谐振耦合无线传输系统包括纳米发电模块1、发射器2和接收器3，接收器3的输出端连接负载r
l
。其中纳米发电模块1包括摩擦纳
米发电机1a和开关s，发射器2包括第一电感l1和发射耦合器2a，接收器3包括第二电感l2、匹配电容c2和接收耦合器3a，摩擦纳米发电机1a的电压输出端和发射器2连接，开关s串联在摩擦纳米发电机1a的电压输出端和发射器2之间，发射耦合器2a和接收耦合器3a相对。在本实施例中，第二电感l2的电感值被设置为和第一电感l1的电感值相同，具体实施中，l1和l2的电感值为100μh，以便提高相同的传输效率。
27.发射器2中，摩擦纳米发电机1a和第一电感l1组成发射谐振电路。摩擦纳米发电机1a可以等效为一个电容c
teng
和一个电压源v
teng
的串联。发射谐振电路的谐振频率由摩擦纳米发电机1a等效的电容c
teng
和第一电感l1的电感值共同决定。具体的谐振频率在0.1-10mhz之间。发射器21的第一电感l1两端的具体振荡信号如图3所示。
28.本实施例中，匹配电容c2的电容值和电容c
teng
的电容值设置为相同，均设为140pf。接收器3的谐振频率和发射器2的谐振频率相同，其第二电感l2两端的振荡信号作用于负载r
l
，负载r
l
两端的典型输出信号如图4所示
29.在本实施例中，摩擦纳米发电机1a为垂直接触-分离式摩擦纳米发电机1a，并且将其与开关s进行结合，此处采用机械式开关。具体结构如图2所示：包括第一基板5、第二基板6和第三基板6，第一基板5下设置在第二基板6上方，第三基板6设置在第二基板6下方。第一基板5的下表面贴有第一铝片7，第一铝片7的下表面覆盖有作为负性摩擦材料的聚四氟乙烯薄膜8，第一铝片7上连接有用于与外部电子器件连接的导线；第二基板6的上表面和下表面均贴有第二铝片9，且位于第二基板6上表面和下表面的第二铝片9相互连接，位于第二基板6的上表面的铝片的上表面上覆盖有作为正性摩擦材料的尼龙6薄膜10；聚四氟乙烯薄膜8下表面和尼龙6薄膜10的上表面之间具有空隙11；第三基板6的上表面和第二基板6的下表面通过弹簧12支撑，第三基板6的上表面上与第二基板6下表面的第二铝片9位置相对应处设有能够导电的开关触点13，开关触点13上接有用于与外部电子器件连接的导线，开关触点13与第二基板6下表面的第二铝片9构成开关s；第一铝片7和第二铝片9之间串联有二极管14，且二极管14的正极与第一铝片7连接，二极管14的负极与第二铝片9连接。本实施例中的二极管14选用1n4007，起到整流作用。
30.在本实施例中，发射耦合器2a和接收耦合器3a均为一块耦合极板，两者的形状大小相等且面对面相互对齐放置。图中p1为发射耦合器2a，p3为接收耦合器3a，两者的尺寸均为500
×
250mm2，材料为铜。发射耦合器2a的耦合极板与接收耦合器3a的耦合极板间间距为5cm，耦合电容值为25pf。
31.实施例二：
32.如图5所示，本实施例是在实施例一的基础上做出的进一步改进，本实施例与实施例一的不同之处在于：发射器2还包括补偿电容c1，补偿电容c1并联在第一电感l1的两端。通过设置补偿电容c1，使得发射器2和接收器3能够方便的匹配，匹配电容c2的电容值等于摩擦纳米发电机1a等效的电容c
teng
与补偿电容c1的电容值之和，通过上述设置可以实现最佳传输效率。
33.实施例三：
34.如图6所示，本实施例是在实施例二的基础上做出的进一步改进，本实施例与实施例二的不同之处在于：发射耦合器2a和接收耦合器3a均由两块耦合极板组成。图中p1、p2为发射耦合器2a，p3、p4为接收耦合器3a，四个耦合极板的尺寸均为500
×
250mm2，材料均为铜。
发射耦合器2a的耦合极板与接收耦合器3a的耦合极板间间距为5cm，耦合电容值为30pf。
35.需要说明的是，本发明的上述各实施例中的摩擦纳米发电机1a除垂直接触-分离式摩擦纳米发电机1a之外，还可以为：水平滑动式摩擦纳米发电机1a、单电极式摩擦纳米发电机1a和独立层式摩擦纳米发电机1a中的任意一种。同样的，耦合极板还可以为采用银、铁、铝、铜合金、银合金、铁合金、铝合金中任意一种所制成的导电薄板。开关s也可以采用电子开关来实现，具体不做赘述。此外，本发明的发射耦合器2a的耦合极板与接收耦合器3a的耦合极板间的耦合电容值可以设置为1pf-1nf之间的任意值，并不作具体限定。
36.本发明的工作原理如下：摩擦纳米发电机1a与开关s协同工作。在摩擦纳米发电机1a工作过程中，开关s有规律地闭合，将摩擦纳米发电机1a积累的电荷瞬间释放。每当开关s闭合时，摩擦纳米发电机1a输出脉冲能量。这个脉冲能量在发射器2中转化为振荡信号。振荡信号通过电场谐振耦合的方式从发射耦合器2a无线传输到接收耦合器3a，从而完成电能从发射器2无线传输到接收器3的过程，接收器3输出的振荡信号可以被直接用于提取信息，也可以经过整流为设备供电。
37.本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。