基于磁辅助混合发电机的桥梁环境监测与多级预警

《Materials Today Chemistry》：Bridge environmental monitoring and multi-level early warning based on magnetic-assisted hybrid generator

　　

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  开发出一种同轴磁辅助混合发电机，通过共用磁铁使电磁发电机和摩擦纳米发电机协同工作。
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  电磁发电机模块监测风速并收集环境风能，为温湿度传感器供电。
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  摩擦纳米发电机输出交流信号，可实现桥梁结构位移、速度、加速度和频率的监测。
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  当位移超过阈值时，摩擦纳米发电机的输出可触发不依赖算法的硬件级警告。

引言

结构健康监测在确保桥梁等大规模基础设施安全运行及防止灾难性失效方面发挥着关键作用。目前的监测系统主要依赖密集传感器网络来获取应变、加速度和位移等关键力学响应。然而，现有方法通常局限于单参数感知，并严重依赖高功耗集中式计算。在极端场景下，这种集中式架构容易受到传输延迟的影响，且基于当前物理硬件缺乏即时预警响应能力。此外，随着基础设施服役寿命延长、交通载荷增加以及极端天气事件频发，现代结构健康监测系统必须向长期、分布式和低维护部署转变 [1]。传统传感器受限于外部布线或有限寿命的化学电池，导致其生命周期维护成本过高，严重限制了其大规模分布式应用 [2,3]。此外，桥梁安全不仅取决于结构动力响应，还受到复杂环境因素的影响，尤其是风场扰动 [4,5]。因此，开发由高熵环境能量驱动、在单一平台上无缝集成环境能量收集、多参数环境感知和多级预警的自供电系统，对于实际桥梁监测具有极高的价值 [5,6]。

在环境能量收集技术中，由接触起电和静电感应驱动的摩擦纳米发电机已成为自供电感知的极具前景的候选技术 [7]。摩擦纳米发电机具有宽泛的材料兼容性和对微弱、低频机械激振的出色灵敏度，在微振动能量收集和无线感知方面展现出巨大潜力 [[8], [9], [10], [11]]。在桥梁监测应用中，摩擦纳米发电机的电输出可用于连续量化动态特征，包括振动幅值、频率和加速度，作为结构健康监测中出色的自供电主动振动传感器 [[12], [13], [14]]。近期基于摩擦纳米发电机的振动监测研究已超越基本的能量收集，向宽带振动识别、精确运动学感知和磁辅助振动检测方向发展 [[15], [16], [17], [18], [19]]。特别是，双模交流/直流摩擦纳米发电机为异常状态预警开辟了新的途径 [[20], [21], [22]]：在安全运行范围内，该器件产生稳定的交流信号以进行持续状态评估；然而，当幅值超过安全阈值时，急剧增强的局部电场会引发界面空气击穿。这种模态转变根植于器件的固有物理特性，能瞬间将输出切换为直流脉冲，从而实现对结构异常无延迟、硬件级的物理预警 [20,23]。尽管取得了这些进展，大多数现有自供电监测器仍局限于单一来源激振的收集，无法适应实际桥梁环境中固有的复杂耦合的风与结构振动激振。此外，其本质上有限的输出功率严重阻碍了商用电子传感器的持续运行 [23]。

风能是桥梁环境中丰富的环境能源，它既是风致振动的主要触发因素，也是分布式监测节点的可持续电源 [24,25]。近年来，风驱摩擦纳米发电机已被广泛应用于多种场景，包括风速感知、低速风能收集、智慧农业、轨道交通气流能量回收以及自供电环境监测 [[26], [27], [28], [29]]。将摩擦纳米发电机与电磁发电机混合，提供了同时满足持续能量收集和自供电感知需求的有效方法 [30]。这两种机制在物理上互为补充：摩擦纳米发电机本质上擅长捕捉微弱、低频的机械激振，而电磁发电机则能在较高转速下可靠地提供连续的毫瓦级功率 [31]。尽管已开发出多种用于风场检测和无线感知的摩擦纳米发电机-电磁发电机混合器件 [[32], [33], [34], [35], [36]]，但大多数现有设计依赖于简单的物理堆叠，结构集成度低。关键在于，这些器件通常局限于单参数风速监测，缺乏能够无缝集成持续环境监测、硬件级异常预警和为下游商用电子提供可持续供电的综合系统级架构 [23,37]。

为应对这些挑战，我们开发了一种专为桥梁环境监测设计的同轴磁辅助混合发电机。利用共用磁铁架构，该器件在紧凑体积内无缝集成了风驱电磁发电机和滑动模式摩擦纳米发电机，使环境能量收集、多参数感知和多级预警协同运行。在本研究中，我们系统研究了同轴耦合机制、多维结构动力学的连续评估以及由界面空气击穿引发的固有物理预警机制。此外，我们展示了电磁发电机模块在准确量化环境风速的同时向商用传感器提供持续功率的能力。最终，通过整合LabVIEW平台、微控制器单元/蓝牙无线网络和LED触发器，我们构建并验证了一个用于自供电多参数监测和阈值预警的闭环系统。本研究为评估复杂桥梁环境提供了一种高可靠、免维护的范式。

章节摘要

磁辅助混合发电机应用场景示意图

针对桥梁长期服役过程中的结构老化以及风场与交通载荷并发引起的复杂工况，我们设计了一种用于桥梁环境集成监测的同轴磁辅助混合发电机（图1a）。该设计有效克服了传统监测设备固有的供电有限和功能隔离问题。如图1b所示，该器件采用同轴混合架构，将风驱电磁发电机

结论

综上所述，我们提出并验证了一种专为桥梁环境监测设计的磁辅助混合发电机。该器件集成了能量收集、风速识别、多维振动感知和桥梁多级预警功能。实验结果表明，在安全运行范围内，摩擦纳米发电机输出稳定的交流信号。通过提取关键电学特征——包括电压、峰值电流和信号时间导数（dI/dt）——系统

器件制备

结构外壳通过PLA 3D打印制备，用于支撑摩擦纳米发电机定子、磁铁、电磁发电机线圈和风杯组件。对于摩擦纳米发电机单元，滑块设计为矩形块。在滑块内嵌入一块NdFeB磁铁（Φ40 × 1 mm），依次覆盖1 mm厚的EVA泡沫缓冲层和0.1 mm厚的FEP。定子由中空外壳组成，底部固定一块NdFeB磁铁（Φ40 × 5 mm）。铜箔附着在内壁上作为摩擦电极，

CRediT作者贡献声明

Bo Lu：撰写——初稿、验证、软件、调查、形式化分析、数据整理。Minhai Chen：撰写——初稿、数据整理。Jie Wei：验证、形式化分析。Yiming Zhao：软件、形式化分析。Tianyi Zhang：软件。Li Zheng：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、调查、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金委员会（批准号：22236005、52371194）的资助。

Bo Lu|Minhai Chen|Jie Wei|Yiming Zhao|Tianyi Zhang|Li Zheng