3D打印摩擦纳米发电机的结构优化及在自驱动农业传感应用的研究.pdf

摘要

智慧农业融合现代科学技术，依托部署网络分布式传感器进行感知、预警、分析，

从而实现精准、智能、可视化种植。然而传统电缆、电池供电方式消耗大量人力物力，

不能达到真正意义上的“智能”效果。目前新型风力、太阳能等发电方式受限于体积

大、效率低等特点，也不能满足分布式传感器能源供应需求。摩擦纳米发电机（TENG）

能够高效收集环境中的机械能，可以实现对农业环境能源的收集、管理与利用，成为

智能化传感系统能源供应需求的有效解决方案。然而，目前TENG与传感器的匹配方

式单一、TENG输出信号峰值较低等使其难以实现实时、可持续传感。基于此，本文通

过对TENG结构进行灵活设计，将自然能源特点与TENG工作模式相结合，构建高灵

敏度的实时传感功能系统。进一步探究TENG结构与材料设计策略提高TENG的输出

峰值信号，使其与大功率传感器件相匹配，满足智慧农业可持续传感供能的需求。最

后，通过单片机技术个性化定制传感功能电路，实现“供能”与“功能”的多样化传

感方式。具体研究工作如下：

（1）探索TENG输出信号特点，构建主动感知式传感系统，实现实时、高效农业

环境信息监测。通过3D打印技术制备一种单层-双面转子的圆盘状摩擦纳米发电机

（SDS-TENG）。通过研究SDS-TENG的输出信号与输入风速之间的内在联系，设计一

种主动式风能监测传感系统。SDS-TENG可以实时收集风能，并及时将输出信号传递

给单片机模块，经过信号处理模块对输入的电压峰值进行分析并将其编码成相应风速

值。该工作为探究输入信号（风速、风向、雨滴等）与TENG输出电信号特征（峰值、

频率、波形特点等）之间的定量关系提供思路。

（2）围绕TENG电学输出性能提升的关键核心，采用高空间利用率的结构设计策

略，辅以软接触的方式设计制造一种双层定-转子摩擦纳米发电机（DSR-TENG）。通过

对摩擦层材料氧元素含量分析，筛选出高含氧量棉花作为摩擦层，其作为摩擦层能够

提供更多转移电子，并采用软接触方式以提高DSR-TENG的耐久性。经测试，DSR-

TENG开路电压、短路电流和转移电荷分别达2500V、80μA、1μC，经过约320000转

的工作周期之后，仍保持稳定的输出性能，为农业监测系统提供稳定的电源供应。

DSR-TENG能够瞬间点亮200个小灯泡，在夜间为农场指引方向，通过DSR-TENG与

农业传感器结合构建供能式传感器系统，成功驱动了土壤温湿度传感器、土壤pH计。

（3）为进一步提高TENG在高频旋转下的输出峰值信号，将联动结构用于TENG

设计中，制作一种多层同步挤压式摩擦纳米发电机（MSE-TENG）。MSE-TENG结合旋

转模式的高频率特点与垂直接触分离模式高峰值信号输出特点，能够将旋转的机械能

转化为驱动多个摩擦层接触分离运动的动能。经测试，MSE-TENG输出性能得到大幅

提升，开路电压、短路电流和转移电荷分别达到1000V、0.8mA、3.5µC。MSE-TENG

应用于无线温湿度传感系统时，能够通过手机APP精准地分析农作物生长环境的温湿

度信息并作出有效预测，提高作物生产率。将MSE-TENG与单片机电路相结合构建自

动灌溉电路系统，从土壤实际需水量出发，以信息传感技术为手段，提升农业灌溉的

精准度和水资源的利用率。

综上所述，本论文以实现实时、可持续农业环境信息监测为出发点，通过模型研

究、材料优选、结构优化，提出三种风能采集器件。对结构设计方案和材料测试优化，

探究TENG输出电信号与外部环境能源激励之间的规律，将TENG的电学输出信号作

为传感信号，实现对环境信息实时感知，进一步结合单片机程序和电路设计，成功构

建了实时风能传感体系。在此基础上，结合电源管理、信息处理、信号收发和控制系

统，实现自供能传感体系，为智慧农业提供持续能源供应。本文揭示了TENG具有实

现农业传感系统“供能”和“功能”的可行性，为推动基于TENG的供能技术、农业

传感技术的持续供能提供思路。

关键词：3D打印技术，摩擦纳米发电机，自驱动传感，智慧农业

ABSTRACT

Smartagricultureincorporatesmodernscienceandtechn