[发明专利]硅纳米线水伏电池、水位监测器和自驱动水位监测装置

说明书

本发明公开了一种硅纳米线水伏电池、水位监测器和自驱动水位监测装置，包括水伏电池，其竖直设置在水中，所述水伏电池能够产生电能，当水位变化时，所述水伏电池产生的电信号变化；储能模块，其与所述水伏电池电性连接，所述储能模块储存所述水伏电池产生的电能；数据处理模块，其与所述水伏电池连接，所述数据处理模块接收所述水伏电池的电信号，并根据电信号的大小来判断水位的变化，输出水位信息；显示模块，其与数据处理模块连接以显示水位信息。其实现小功率自驱动，同时实时输出水位信号，结构紧凑。

技术领域

本发明涉及水位监测技术领域，具体涉及一种硅纳米线水伏电池、水位监测器和自驱动水位监测装置。

背景技术

水位监测与生产生活密切相关，各类储水器件的水量剩余关系到生活的便捷程度。工厂生产中水循环系统、水箱的水量关乎生产安全和可持续性；河流、库区水位监测可以帮助掌握各流域、城镇河流水位的变化情况；健全水资源管理体系，及时预警洪涝灾害，关系到人们的生命财产安全。

为了监测水位、水量的变化，众多传感监测机制被应用到了生产生活中，大致可分为非接触式和接触式。其中非接触式传感机制或通过卫星监测河流流域，根据流域面积变化进行大规模监测，或通过图像识别技术对水位标尺进行拍摄识别，提取图像数据，或是通过向水面发射超声波，收集反射波判断深度。而接触式传感机制则通过传感器在水中因水位水压变化或者湿度变化而产生的电学特性变化，输出相应的信号。

现有的传感方式中，都需要安装供能模块。供能模块有传统的化学电池，即在整个监测系统中安装化学电池(通常是蓄电池)，由蓄电池驱动传感器实时或间断性工作，为集成的电路、信号发射模块提供电力，此类化学电池在有水的环境下使用时会增加短路风险，且受制于其容量，需要人工定期更换。在传感器数量巨大时，需要频繁更换电池，会产生大量废旧电池，在工作和后续处理过程中存在电池漏液、污染环境的可能。也有直接通过电线连接进行供能的传感系统，此类传感系统会受到电网分布的影响，便捷性、机动性大幅下降，难以在偏僻地区安装。此外，电线暴露在环境中，会增加破损漏电的风险，出现危险情况，维护成本也随之上升，当存在大量传感器时，电力传输的能源损耗也不可忽视。虽然有使用太阳能电池板作为电力来源的传感器，这类供能方式清洁环保，受基础电网建设影响较小，但是长期在室外环境工作其表面会受到尘土等污染，影响使用寿命和工作效率，并且在夜间阴雨情况下难以持续供能，设备工作稳定性受到影响，需要外加较大的储能电池元件。

另一方面，从传感方式上来看，使用非接触式传感机制的卫星图像尽管能够监测较大的范围，但是精度很低，难以测量水位变化。而通过图像识别技术来进行比测分析，流程如图1所示，其缺点在于摄像模块实时传输会增加成本与能耗，并且需要高可靠性的识别程序来进行监测，一旦水尺出现磨损、遮挡，环境光照不佳，传感系统就会难以识别。

图2给出了另一类非接触式传感方式超声波探测器的工作流程，首先需要人工测定其安装点到地面的高度，然后由温度传感器测定环境温度，提供特定温度下的声速，根据入射波发出到反射波被接收的时间差，测定安装点到水面的距离，进而获得水面到地面的距离。这种方式需要两个传感器，易受到准确性较低的传感器性能限制和外界环境干扰，并且生产成本会升高；此外，其监控实效性与超声波发射时间间隔有关，需要在监控频次和能耗之间做出优化平衡。

对于接触式传感机制，以电容式传感器为例，图3给出了电容式水位探测器的工作方式，两金属板为电极，中间为空气和水的介电层，由水位变化改变介电常数，进而引起电容大小的改变，输出不同信号。这种模式需要外加电压才能进行工作，并且金属电极容易发生锈蚀，影响使用寿命。而对于测量水压的传感器，它的核心部件是压阻电桥，在水压作用下产生电势，输出水压情况，但其在压力下产生电势变化较小，需要灵敏的放大电路。

综上所述，目前的水位监测系统，其前端构成都需要探测模块、供能模块、数据发送处理模块，其应用场景不同程度上受到电源限制，且传感性能不同程度受外界影响，难以突破地理位置和使用条件的限制。

发明内容