【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水位传感器,特别是涉及一种基于摩擦纳米发电机与多级虹吸管结构的水位传感装置。
技术介绍
1、随着气候变化、城市化加剧和土地利用率不断增加，全球洪水灾害的发生频率、持续时间和严重程度逐年上升。据报道，近年来洪水占全球自然灾害一半以上，已对人类社会造成了巨大的安全威胁和经济损失，迫切需要提出先进的洪水预警方法。水位高度，是一种自然环境中与洪水发生具有直接相关性的水文信息，可有效预测具有突发性、随机性和复杂性特征的洪水事件的发生。现有基于浮球、电容、超声波等原理的水位传感器可用来检测水位高度，它们通常采用化学电池作为外部能源供能。化学电池具有使用范围广、体积小和能量密度高等优势，但其使用寿命有限、维护困难、极端环境下易失效等劣势极大地限制了传统水位传感器的进一步发展及应用。因此，利用新型环境能量采集技术和自驱动传感技术来替代传统化学电池技术实现水位的传感及预警，引起了该领域学者的广泛关注。
2、摩擦纳米发电机(teng)作为一种环境能量采集技术或自驱动传感技术，已面向流体环境用于测量环境中的水位高度。根据teng在水位传感装置中扮演的角色及工作原理不同，现有的基于teng水位传感装置主要可以分为两类：teng供电型和teng自驱动传感型。在teng供电型水位传感装置中，teng扮演能量采集器的角色，通过捕获流体机械能为装置中的外部独立水位传感器供电。目前teng供电型水位传感装置主要存在两个问题：一是外部水位传感器使系统的集成化、微型化和维护变得异常困难；二是外部水位传感器的正常运行与否取决于teng能量供给
技术实现思路
1、本专利技术要实现的技术目标是解决现有teng自驱动水位传感装置易受到环境干扰所产生的可靠性和稳定性不足的问题，提出一种基于摩擦纳米发电机的多级虹吸管水位传感装置。该装置通过在机械结构上设计多级虹吸管和teng，当环境中的水位增高时，利用两者的协同配合作用，可先使虹吸管逐级触发虹吸现象从而使多级虹吸管结构的出口流量增大，这使teng的转速升高，然后让水位高度和teng电信号频率建立了正相关关系，最终可用teng电信号频率表征环境中的水位高度，同时因湿度等环境因素不会对频率产生影响而可实现环境水位稳定可靠的实时测量。
2、本专利技术提供的技术专利如下：一种基于摩擦纳米发电机的多级虹吸管水位传感装置，其结构组成上主要包括：虹吸单元和传感单元。
3、虹吸单元包含了以水平阵列方式排列的多个不同结构尺寸的虹吸管。每个虹吸管都有一个进水口、一个出水口和一个通气口，同时可通过结构设计分别设置一个虹吸启动位置和一个虹吸停止位置。不同虹吸管的虹吸启动位置在高度方向上等间距排列，对应检测不同的水位高度等级。此外，所有虹吸管出水口通过集水器连接在一起，形成虹吸单元出口流量的汇聚。在水位上升阶段，当水位上升到任一虹吸管的虹吸启动位置时，可以自动触发启动该虹吸管的独立虹吸排水事件。相应的，持续上升的水位将逐个启动其他虹吸管的独立虹吸排水事件。因此，水位高度越高，启动虹吸事件的虹吸管数量越多，虹吸单元的出口流量越大。在水位下降阶段，当水位下降到任一虹吸管的虹吸停止位置时，可以自动触发关闭该虹吸管的独立虹吸排水事件。相应的，持续下降的水位将逐个关闭其他虹吸管的独立虹吸排水事件。因此，水位高度越低，维持虹吸事件的虹吸管数量越少，虹吸单元的出口流量越小。综上，虹吸单元的出口流量大小对应开启虹吸排水事件的虹吸管数量，而虹吸管数量则对应水位的不同高度等级，故该装置可利用虹吸单元的出口流量大小表征水位高度等级，同时可利用出口流量大小变化的趋势表征水位上升或下降的状态。此外，虹吸单元可通过蓄水过程以及触发虹吸排水事件，将环境中的随机、无序的流体势能转化为稳定、有序的流体动能。同时，当水位在每个设定的水位高度等级内变化时，虹吸单元的输出流量近似不变，故传感单元中teng的转速和输出功率可维持相对恒定，因此该装置同时可作为一个输出能量稳定的能量转化装置。
4、传感单元则包括水轮机、轴、两个法兰联轴器、teng、支座和底架。水轮机的叶轮一侧位于虹吸单元出口的正下方。水轮机通过轴、法兰联轴器与teng相连接。teng基于独立层模式工作，包括转子、定子、铜箔、氟化乙烯丙烯(fep)膜片，转子外表面的fep膜作为teng的一个摩擦层，定子上的铜箔作为teng的另一个摩擦层和一个电极层。其中转子与水轮机同轴相连，当叶轮受到虹吸单元出口的水流冲击时，就会产生旋转运动，从而通过轴带动teng工作。当虹吸单元的出口流量增加时，水轮机的转速增加，使与其相连的同轴teng的输出电信号频率增加。根据已建立的水位高度与虹吸单元出口流量之间的关系，可建立水位高度与teng电信号频率之间的关系，进而形成所提出装置的水位传感原理，即可通过解析teng的频率特性来表征环境中的水位高度和水位上升或下降状态。
5、此外，传感单元兼备发电功能。当虹吸单元发生虹吸事件时，其出口流量将推动水轮机旋转将流体能转换为机械能，从而带动teng工作将机械能转换为电能。根据已建立的水位高度与虹吸单元出口流量之间的关系，当水位在每个设定的水位高度等级内变化时，虹吸单元的输出流量近似不变，故传感单元中teng的转速和输出功率可维持相对恒定，因此该装置同时可作为一个输出能量稳定的能量转化装置，能将环境中无序、波动和高熵的流体势能转化为有序、稳定和低熵的电能，这有利于提升装置的能量转换效率。
6、本专利技术基于teng频率特性表征水位变化的传感原理，能够实现对水位高度的实时稳定检测，同时可回收利用环境中的流体能。本专利技术与现有技术相比，具有的优势有：1.在传感方面，相较于传统基于teng电压表征水位高度的传感原理，本专利技术具有分辨率高、抗湿度干扰能力强、稳定性好的核心优势，同时无需外部电源，可完全实现水位信息的自驱动传感检测；2.在俘能方面，相较于传统的流体发电装置，本专利技术能将环境中的随机、无序和高熵的流体能转换为稳定、有序和低熵的电能，可显著提高装置的能量转换效率。
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1.一种基于摩擦纳米发电机的多级虹吸水位传感装置，由虹吸单元(1)和传感单元(2)组成。
2.虹吸单元(1)包含了以水平阵列方式排列的多个不同结构尺寸的虹吸管。每个虹吸管都有一个进水口、一个出水口和一个通气口，同时可通过结构设计分别设置一个虹吸启动位置和一个虹吸停止位置。不同虹吸管的虹吸启动位置在高度方向上等间距排列，对应检测不同的水位高度等级。
3.传感单元(2)兼备发电功能。当虹吸单元(1)发生虹吸事件时，其出口流量将推动水轮机旋转将流体能转换为机械能，从而带动TENG工作将机械能转换为电能。
【技术特征摘要】
1.一种基于摩擦纳米发电机的多级虹吸水位传感装置，由虹吸单元(1)和传感单元(2)组成。
2.虹吸单元(1)包含了以水平阵列方式排列的多个不同结构尺寸的虹吸管。每个虹吸管都有一个进水口、一个出水口和一个通气口，同时可通过结构设计分别设置一个虹吸启动位置...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡意立，黄旭斌，王泽康，温建明，李建平，马继杰，李新辉，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：
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