研究背景
在物联网时代，各种环境监测系统中传感器的整合变得日益普遍和至关重要。在这些传感器中，专用于测量风速和风向的传感器在从天气预报到可再生能源管理等各种应用中发挥着关键作用。准确监测大气条件，特别是风速风向，不仅有助于决策过程，而且对于推动农业、航空和城市规划等领域的发展具有重要意义。传统的风速风向监测系统通常依赖于外部电源供应，这限制了其在偏远地区或无电网地区的应用。此外，传统系统的安装和维护成本较高，运行不够经济高效。
文章概述
近日，中国地质大学（北京）与清华大学研究团队提出了一种基于纳米发电机的自供电非接触式风速、风向传感器，用于实时监测风速、风向信息。经过优化后的风速测量结构具有低至0.2 m/s的启动风速，且在0.2-29 m/s的范围内具有良好的线性度。该传感器同时还具有耐高温、高湿的性能，在45℃的环境温度下，电压衰减为2.4%；在95%的相对湿度环境下，电压衰减为9.8%。对于风向测量，通过非均匀电极的结构设计提高了不同通道的识别能力。进一步地，通过LabVIEW平台开发了具体的算法和程序，对来自系统的电信号进行处理，搭建了风速风向实时监测平台。为了满足远程监测需求，我们设计了一个先进的信号处理电路，可以直接将风速传感器的原始输出转换为风速信息，并通过主机上传至云平台。该系统不仅能实时记录和显示风速数据，还具备历史数据存储和报警功能，从而提升了风速监测的智能化和自动化水平。此外，用户可以通过计算机和移动设备访问和分析风速数据，确保了系统的效率和可靠性。该研究为智慧城市、清洁能源和环境监测的发展提供了重要的技术支持，从而推动了物联网技术在环境领域的应用和普及
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110453
图文导读
图1 SD-TENG的结构和原理。
(a)风速和风向监测系统。(b) SD-TENG的示意图。(c) SD-TENG的工作原理。(d) SD-TENG的实物图。(e) 代表性研究与我们研究的工作风速范围比较。
图2 S-TENG的基本性能。
(a) S-TENG定子和转子的结构。(b) 在定子和转子之间不同间隙下的开路电压和短路电流。(c) 在不同电极光栅单元数量下的开路电压和短路电流。(d) 在不同转速下的开路电压。(e) 在不同转速下的短路电流输出。(f) 在不同负载电阻下的电压、电流和功率。(g) 在不同风速下的开路电压。(h) 风速与信号频率的拟合。(i) 标准残差的分布。
图3风速监测与分析。
(a) 动态速度变化下的开路电压。(b) 短时傅里叶变换。(c) 连续小波变换。(d) 小波分析能量的峰值频率和实际频率。(e) S-TENG的信噪比。(f) S-TENG的性能。(g) 风速监测平台界面。(h) 风速监测实验平台。
图4 风向监测分析。
(a) 风向传感器的结构，(i) 均匀分布电极，(ii) 非均匀分布电极。(b) 均匀分布电极的输出信号。(c) 非均匀分布电极的输出信号。(d) 风向与通道的对应关系。(e) 风向：北。(f) 风向：西南。(g) 风向监测平台界面。(h) 风向监测实验平台。
图5 风速传感器的耐久性测试。
(a) 高湿度环境下的实验。(b) 在不同相对湿度下的输出电压。(c) 在不同温度下的输出电压。(d) 扭矩测量实验平台。(e) 不同类型传感器的启动扭矩。(f) 12天耐久性实验，左上角为第1天摩擦材料FEP薄膜的扫描电子显微镜图像，右上角为第12天摩擦材料FEP薄膜的电子显微镜图像。
图6 远程监测系统。
(a) 远程监测系统的结构框架。(b) 数据处理电路。(c) 原始信号的正弦波曲线。(d) 前端处理电路后的方波曲线。(e) 远程监测系统的示意图。(f) 监测端配置。(g) 在手机、平板和电脑上的后端显示。
总结
在本研究中，我们提出了一种基于纳米发电机的非接触式风速和风向传感器，用于测量风速和风向信息。该传感器表现出卓越的耐高湿性和耐高温性，且具有良好的耐用性。经过288小时的连续测试后，输出电压仅衰减0.64%，摩擦材料表面无明显磨损。非接触结构设计实现了0.1835 N·m的低启动扭矩和低至0.2 m/s的启动风速，与传统风速传感器相比更适合实际环境要求。对于非平稳风速数据的处理，采用了短时傅里叶变换和小波分析两种数据分析方法。结果表明，小波分析的频谱更加清晰且易于区分。此外，通过小波分析获得了能量峰值的频率，从而可以精确确定非平稳风速数据。在风向测量方面，设计了非均匀分布的电极结构，提高了传感器信号的独立性并减少了信号重叠，实现更好的识别效果。在此基础上，开发了一个可扩展的远程监测系统，将传感器与温湿度传感器集成，并利用大数据开放平台。风速数据由前端处理电路和主控芯片计算，经主机传输后上传至云端。用户可通过手机或电脑上的风速监测后台实时监测风速变化。该系统为风能利用、建筑安全和气象预警提供数据支持，有助于提升安全性和效率，降低事故风险，保护环境和人类生命财产安全。
编辑：白鹤 | 审核：木小何
