[0001] 本申请涉及电子设备技术领域，尤其涉及一种低速滑坡位移传感器及滑坡位移实时监测预警系统。

[0002] 滑坡灾害分布广、危害大，是发生最频繁的自然灾害之一。滑坡的表面变形位移监测对于分析滑坡危险程度和演变规律至关重要，有助于及时采取措施避免人员伤亡和经济损失。目前，滑坡孕育过程的科学监测和早期预警采用数量庞大的传感仪器布置于隐患点和灾害发生盲区，这会带来极高的能源供应问题以及安装实施成本。然而，滑坡的表面变形位移是以mm/d(毫米/天)为单位的超低速变形，滑坡表面大部分时间的日变形量在10mm以下，这要求传感器有较高的位移分辨力和量程，而现有的位移传感器在这种超低速工况下难以产生有效的传感信号。

[0041] 下面结合附图和实施例对本申请的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本申请的原理，但不能用来限制本申请的范围，即本申请不限于所描述的实施例。

[0042] 在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有说明，术语“第一”和“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；“多个”的含义是两个或两个以上；术语“内”、“外”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

[0043] 请参阅图1及图2，本申请实施例提供一种低速滑坡位移传感器，包括壳体100、传动组件200和发电组件300。其中，壳体100内部具有容纳空间，传动组件200和发电组件300设置在壳体100内部，壳体100设置有连通壳体100内部与外部的通孔123。

[0044] 传动组件200包括拉绳210、卷筒220和加速器230，拉绳210缠绕于卷筒220上，且拉绳210由通孔123伸出壳体100；卷筒220与加速器230的输入端连接，拉绳210带动卷筒220转动时，卷筒220带动加速器230的输入端转动。

[0045] 发电组件300包括第一摩擦电极310、第二摩擦电极330、介质层320和蓄力结构，第一摩擦电极310固定连接在壳体100内部；第二摩擦电极330与加速器230的输出端连接，第二摩擦电极330与第一摩擦电极310相向设置，第二摩擦电极330在加速器230的输出端的带动下能够相对第一摩擦电极310转动；介质层320固定连接在第二摩擦电极330面向第一摩擦电极310的一侧，且介质层320与第一摩擦电极310接触；蓄力结构固定连接在壳体100内部，且蓄力结构与第二摩擦电极330抵接，蓄力结构用于对第二摩擦电极330的转动施加阻力，并在第二摩擦电极330克服阻力时释放第二摩擦电极330转动。

[0046] 在实际应用中，滑坡的表面变形位移等外界位移激励通过拉绳210输入本申请实施例的位移传感器时，卷筒220在拉绳210作用下发生转动，将位移信息转换为角度信息，角度信息经加速器230放大后传递到第二摩擦电极330，第二摩擦电极330在蓄力结构的阻挡作用下间歇式转动，使固定在第二摩擦电极330上的介质层320和第一摩擦电极310之间产生相对转动，由于摩擦起电或接触起电原理，介质层320和第一摩擦电极310产生相反电荷，实际应用时，第一摩擦电极310分别接于外接负载两端，在静电平衡的作用下实现电荷转移，从而在外部产生可反映拉绳210相对位移变化的交流电信号。

[0047] 本申请实施例的位移传感器，是可以实现自供电的传感，也就是传感器本身不需要供电，直接依靠滑坡变形力驱动便可以产生电信号。并且，蓄力结构可以实现极低速位移输入速度下的实时反馈，通过加速器将输入的信号信息放大，有效地降低传感器的启动速度，提高传感器位移监测的分辨力，传感器可以产生高分辨力的自驱动电压脉冲，实现超低速滑坡位移测量。同时，本位移传感器可通过信号处理和阈值设置实现实时位移、移速监测和预警，具有监测mm/d级超低速位移的能力，具有大量程、高分辨力、低误差率、信噪比高等技术优势，可以应用于滑坡表面变形位移的长期(几月到几年不等)、实时监测和预警，对提高滑坡灾害监测预警的区域和智能化水平具有重要的意义和工程应用价值，在自然灾害预警和结构健康监测领域具有潜在的应用价值，可以推动摩擦电式传感器在滑坡位移监测预警领域的发展。

[0048] 在具体实施中，壳体100包括相连接的第一壳体和第二壳体160，传动组件设置在第一壳体内部，且加速器的输出端延伸进入第二壳体160内部；第二壳体160可以将部分第一壳体套接在内，发电组件300设置在第二壳体160内部。第一壳体内壁设置有卷筒限位槽和加速器限位槽，卷筒220外壁套设有轴承，卷筒220通过轴承与卷筒限位槽抵接；加速器230位于加速器限位槽内，加速器230与加速器限位槽之间存在间隔。

[0049] 如图3所示，第一壳体外壁设置有第一台阶结构和第二台阶结构。壳体外部设置有基底110，基底110的第一面112(顶面)固定连接有限位架111，限位架111设置有定位孔。如图4所示，基底110的第一面112还固定连接有第一支架140，第一支架140通过固定螺栓与基底110的第一面112紧固连接，第一支架140与限位架111间隔设置，第一支架140设置有第一固定孔141；第一支架140具有开口，开口处设置有预紧夹142，可以调整第一固定孔141的孔径。第一台阶结构连接在限位架111的定位孔内，第二台阶结构连接在第一支架140的第一固定孔141内。

[0050] 具体实施时，如图5、图6及图7所示，第一壳体包括第一部分120和第二部分130，第一部分120和第二部分130扣合形成第一壳体。第一壳体120上设置有第一卷筒限位槽121、第一加速器限位槽122、第一台阶结构I 124、第二台阶结构I 125；第二部分130上设置有第二卷筒限位槽131、第二加速器限位槽132、第一台阶结构I I 133、第二台阶结构I I 134；第一卷筒限位槽121和第二卷筒限位槽131构成上述的卷筒限位槽；第一加速器限位槽122和第二加速器限位槽132构成上述的加速器限位槽；第一台阶结构I 124和第一台阶结构I I 133构成上述的第一台阶结构；第二台阶结构I 125和第二台阶结构I I 134构成上述的第二台阶结构。第二壳体160通过固定螺栓与基底110的第一面112紧固连接。

[0051] 如图8及图9所示，卷筒220外壁套设有拉绳定位环，拉绳定位环具有拉绳定位槽221；拉绳定位槽221具有缺口，缺口处设置有拉绳固定孔222，拉绳210的一端通过固定螺栓固定在拉绳固定孔222内，拉绳210缠绕在拉绳定位槽221内，拉绳210的另一端由通孔123伸出壳体。卷筒220上的拉绳定位环两侧的区域为轴承安装区224，轴承安装区224套设有轴承，实现卷筒220通过轴承与上述的卷筒限位槽抵接。轴承与卷筒220的配合，以及轴承与卷筒限位槽的配合，均可以为过盈配合。

[0052] 如图10及图11所示，卷筒220内部沿轴向设置有连接件240，加速器230的输入端通过连接件240与卷筒220连接。连接件240可以为花键结构，具体地，连接件240包括外花键241和花键内圈242；对应地，卷筒220内部设置有内花键223，外花键241与内花键223卡接，实现连接件240与卷筒220的连接，卷筒220转动时能够带动连接件240转动。加速器230的输入端231和输出端232均可以为轴状结构。加速器230的输入端231伸入花键内圈242，实现加速器230与连接件240连接，从而实现加速器230与卷筒220连接，卷筒220转动时能够通过连接件240带动加速器230的输入端231转动。加速器230的输出端232与第二摩擦电极330上的齿轮结构360的内圈连接，实现带动第二摩擦电极330转动。

[0053] 作为一种可能的实施方式，如图12所示，蓄力结构包括弹簧片370，弹簧片370的一端固定连接在壳体内部。第二摩擦电极330背离第一摩擦电极310的一侧固定连接有齿轮结构360，齿轮结构360能够随第二摩擦电极330一并转动；弹簧片370的另一端与齿轮结构360的轮齿抵接，具体地，弹簧片370的另一端处于齿轮结构360的轮齿之间，在齿轮结构360转动时与轮齿发生抵接。第二摩擦电极330上的齿轮360在弹簧片370的阻挡作用下每隔一个轮齿便释放一次，实现第二摩擦电极330间歇式转动。

[0054] 如图13所示，基底110的第一面112还固定连接有第二支架150，第二支架150与第一支架140间隔设置，第二支架150设置在第二壳体160远离第一壳体的一端。第二支架150设有固定槽151，弹簧片370通过固定块和固定螺栓与固定槽151紧固连接，实现弹簧片370的定位。

[0055] 如图14、图15及图16所示，第一摩擦电极310包括PCB叉指电极311，第二摩擦电极330包括PCB光栅电极331，PCB叉指电极311的电极对数与PCB光栅电极331的电极数目相同，PCB叉指电极311的单个电极的宽度与PCB光栅电极331的单个电极的宽度相同。具体地，PCB叉指电极311、介质层320和PCB光栅电极331的内径尺寸相等，均为a，三者同轴设置。PCB叉指电极311的外径为b，介质层320和PCB光栅电极331的外径尺寸相等，均为c。PCB叉指电极
311的电极对数与PCB光栅电极331的电极数目相同，均为d。在周向上，PCB叉指电极311的单个叉指电极的电极宽度与PCB光栅电极331的单个光栅电极的电极宽度相等，均为e。PCB光栅电极331的相邻电极之间的间隔角度为f，PCB叉指电极311的一对叉指电极之间的间隔角度为g。为了保证摩擦起电的稳定性，b>c，e+2g＝f。可选地，a＝16mm，b＝60mm，c＝56mm，e＝
2°，f＝3°，g＝0.5°。

[0056] 介质层320为薄膜状，粘贴在第二摩擦电极330上。介质层320采用具备摩擦起电效应的高分子材料薄膜，如Kapton聚酰亚胺薄膜、PTFE聚四氟乙烯)薄膜等。PCB叉指电极311和PCB光栅电极331均采用镀有导电金属如铜、铝、金等薄膜的PCB板，其中，导电金属薄膜的摩擦电序列优于介质层320的摩擦电序列，即导电金属薄膜比介质层320更容易失去电子，并且二者的差异性越大，发电效果越好。

[0057] 具体实施时，第一摩擦电极310还包括第一固定环312，第一固定环312与第一壳体的第二台阶结构端部固定连接，PCB叉指电极311固定连接在第一固定环312上；第二摩擦电极330还包括第二固定环332，PCB光栅电极331固定连接在第二固定环332上，PCB光栅电极331通过同轴设置的轴承结构333套接在加速器230的输出端232上。齿轮结构360与第二摩擦电极330的第二固定环332固定连接，具体地，第二固定环332的一侧与齿轮结构360连接，第二固定环332的另一侧粘贴在PCB光栅电极331的背面，这样齿轮结构360与PCB光栅电极
331就通过第二固定环332组成一个整体。加速器230的输出端232穿过轴承结构333与齿轮结构360的内圈固定连接。

[0058] 再次参阅图12，第一摩擦电极310背离第二摩擦电极330的一侧设置有第一磁性件340，第二摩擦电极330背离第一摩擦电极310的一侧设置有第二磁性件350。在第一磁性件
340和第二磁性件350的之间作用的磁吸力下，实现第一摩擦电极310和第二摩擦电极330预紧，提高摩擦起电的可靠性。第一磁性件340可以为磁铁环，第二磁性件350可以为引磁片。
第一磁性件340固定连接在第一摩擦电极310的PCB叉指电极311上，第二磁性件350固定连接在第二摩擦电极330的PCB光栅电极331上。

[0059] 本申请实施例还提供一种滑坡位移实时监测预警系统，如图17所示，该系统包括单片机、显示器以及如上述实施例的低速滑坡位移传感器，低速滑坡位移传感器与单片机电连接，显示器与单片机电连接。位移传感器受到滑坡表面变形的位移激励时产生相应电信号，通过单片机进行信号处理(包括滤波、脉冲频率提取、脉冲数计算和幅值提取等)，并通过线性关系换算，得到位移量和位移速度，同时根据使用工况，设置位移和速度阈值(脉冲数和频率)，而后与显示器(远传)连接，显示器实时显示位移量和位移速度，当滑坡位移和移速达到阈值条件后，通过显示器提示滑坡表面变形等级并分级报警。

[0060] 本领域内的技术人员应明白，以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。