[0001] 本发明属于高空脚手架环境检测领域，涉及一种基于风能摩擦纳米发电机的高空脚手架环境监测装置及方法。

[0002] 脚手架环境监测是一种重要的安全措施，它可以实时监测脚手架搭建环境变化，及时发现异常并提醒工作人员采取处理措施，从而保障脚手架的安全性和稳定性以及施工人员的工作安全。目前市面上对脚手架环境监测的传感器供电使用的是传统的外部电源，例如电池等。然而，这些供电电源存在对环境不环保、高成本、老龄化等缺点。

[0003] 因此，亟需一种新颖的高空脚手架环境监测方法来解决以上问题。

[0032] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

[0033] 其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

[0034] 本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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发明和简化描述，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

[0035] 请参阅图1～图5，图1为本发明设计的摩擦纳米发电机结构示意图，该摩擦纳米发电机包括风驱动转子、摩擦发电单元和定子。定子包括支撑结构和底端圆盘；风驱动转子由风杯、顶端圆盘以及中心轴组成；支撑结构、风杯是由亚克力材料制成。风杯在风力的作用下进行旋转，同时带动顶端圆盘一起旋转。

[0036] 摩擦发电单元包括安装在顶端圆盘的介质摩擦电层、安装在底端圆盘的电极层和机械开关结构组成。顶端圆盘和底端圆盘由双面覆铜板(材料：FR‑4)蚀刻制成。

[0037] 介质摩擦电层安装在顶端圆盘下表面，由一组2个等中心角度间隔设置的扇形单元组成，每个单元和间隔的角度为90°，每一个扇形单元都有一个氟化乙烯丙烯(FEP)薄膜固定在两侧，并覆盖在单元的底部空间作为摩擦电表面。薄膜也呈扇形且适当大于单元，使得薄膜中间部分可以自然拱起与定子接触，避免薄膜与定子硬性摩擦。

[0038] 电极层安装在底端圆盘，由两组4个扇形单元间隔5°组成，每一个扇形单元固定一个铜箔。每个相邻扇形区域具有相反极性，属于不同的电极组。通过底端圆盘另一侧蚀刻的电路将间隔的同一组电极相连。

[0039] 机械开关结构一侧为底端圆盘上的四对触点，一侧为安装在顶端圆盘由铜环制成的一对触点，当风杯带动顶端圆盘进行旋转一周时，在FEP薄膜与铜箔进行摩擦的同时，顶端触点会依次接触底端圆盘的4对触点，每一次接触时输出端将会产生一个脉冲电压，当摩擦发电单元旋转一周时会出现4个脉冲电压。

[0040] 图2为本发明中基于风能摩擦纳米发电机的能量管理电路图，能量管理电路由匹配变压器、快恢复二极管和储能电容组成。其工作原理是，当摩擦纳米发电机输出脉冲电压时，能量输入到变压器初级线圈中，从而在变压器中形成变化的磁场，在次级线圈中产生感应电压通过快恢复二极管将能量输入至储能电容中。

[0041] 为了提高能量传输效率，本发明在能量管理电路中采用匹配变压器，其关键因素是选择合适尺寸的磁芯AP。基于变压器输入功率的传统计算公式为：

[0042]

[0043] 其中，Uin，Iin，fsw，Ku，J和ΔB分别为输入电压(V)，输入电流(A)，开关频率(kHZ)，‑2窗口利用率，电流密度(A mm )和磁通密度的变化(T)。

[0044] 摩擦纳米发电机最大输出能量，即变压器可输入的能量，可根据其电容模型近似给出：

[0045]

[0046] 变压器输入能量与输入功率和开关频率的关系如下：

[0047]

[0048] 因此，可以根据摩擦纳米发电机最大能量输出计算得到的AP计算值：

[0049]

[0050] 磁芯的实际AP值由磁芯有效截面积(Ae)和磁芯窗口面积(Aw)乘积得到：

[0051] AP实际值＝Ae×Aw

[0052] 以上，匹配变压器选择合适磁芯的原则是：当磁芯的AP实际值>AP计算值时，变压器才能将能量从输入端完全传递到输出端。

[0053] 图3为本发明中风能摩擦纳米发电机在脚手架的安装示意图。

[0054] 将风能摩擦纳米发电机、能量管理电路、及传感器设备固定在脚手架上，通过风能摩擦纳米发电机收集风能转化为电能为传感器供电，考虑到脚手架实际要求，可采取夹具或夹持装置固定、胶水或胶带固定及制作特殊集成结构固定等固定方式，确保风能摩擦纳米发电机在脚手架上正常运行以及确保传感器对环境数据采集的准确性。

[0055] 当环境中产生低频风能(<5ms‑1)时，风力作用于风杯，风杯带动顶端圆盘(FEP薄膜)与底端圆盘(铜箔)摩擦，通过装置上的机械开关输出交流脉冲电压，通过能量管理电路中匹配变压器，在变压器中产生变化的磁场，从而次级线圈中产生感应电压，再经过快恢复二极管将电能储存至储能电容，随后给传感器供能，最后将传感器的数据发送至数据采集系统。数据采集系统将收到的数据与预设数值通过比较，若超出预设范围，发出报警信号，及时提醒工作人员该环境下脚手架的使用存在安全隐患，应让施工人员尽快停止高空作业，减少安全隐患。

[0056] 图4为风能摩擦纳米发电机的工作原理图，当风力驱动风杯旋转时，介质摩擦电层(FEP薄膜)与电极层(铜箔)发生摩擦。当FEP薄膜与第一个电极组完全重合时，两个电极组之间的电势差达到最大。同时机械开关触点闭合，在外部电路中产生脉冲电流，如图4中a所示。随后，风能摩擦纳米发电机的电势差降为0，两个摩擦面电势达到平衡。随着FEP薄膜继续旋转，机械开关触点立刻断开，外部电路处于开路状态，因此两个摩擦面之间不发生电荷转移，本发明的风能摩擦纳米发电机进入能量积累的过程，电势差逐渐增大，如图4中b所示。随着FEP薄膜继续旋转，当FEP薄膜与第二个电极组重合时，累积的能量再次达到最大，同时，机械开关触点再次闭合，并在外部电路中产生反向的脉冲电流，如图4中c所示。随着FEP薄膜再次旋转，机械开关触点断开，风能摩擦纳米发电机再次进入能量累计过程，如图4中d所示。因此，本发明的风能摩擦纳米发电机的一个周期内存在两个正脉冲信号以及两个负脉冲信号。

[0057] 图5为本发明中基于风能摩擦纳米发电机的能量管理电路与不使用能量管理电路直接对100μF电容充电的仿真对比图。图5中(a)为使用能量管理电路对100μF电容充电，可以看出风能摩擦纳米发电机工作10s电容可充电至1.715V；图5中(b)为未使用能量管理电路对100μF电容充电，可以看出风能摩擦纳米发电机工作10s电容可充电至0.502V。通过此仿真结果可以得出，通过能量管理电路对电容充电是未通过能量管理电路对电容充电的3倍多，使用能量管理电路提高了风能摩擦纳米发电机的能量转化效率；同时，也印证本发明中风能摩擦纳米发电机经过能量管理电路可将风能转化为电能，持续工作一段时间后可以为后续的环境监测传感器供电。

[0058] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。