《Materials Research Bulletin》：A Self-Powered Hybrid Wind Sensor Based on Electromagnetic Energy Harvesting and Triboluminescent Sensing
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自供电混合式能量收集视觉传感器通过集成单电极TENG与Halbach阵列增强EMG，利用ZnS:Cu掺杂Ecoflex层实现机械发光与能量收集的协同作用，可在1.5m/s低风速下稳定输出14.7mW功率支持蓝牙传输，为长期分布式环境监测提供直观可视化与自主供电方案。
李秦|余俊斌|林俊飞|郭宏宇|李正林|刘秋航|秦东云|穆继良|何健|周秀健
中国北方大学仪器与电子学院电子测试与测量实验室，太原030051，中华人民共和国
摘要
最近，结合摩擦电纳米发电机（TENGs）和电磁发电机（EMGs）的混合风驱动传感器在鲁棒性和多模式能量转换方面取得了进展，但大多数设备仍然存在启动风速高和输出不稳定的问题。本文介绍了一种自供电的混合模式能量收集视觉传感器（EHVS），它将单电极TENG与Halbach阵列增强的EMG集成在一起，实现风速的实时可视化和能量收集。ZnS:Cu掺杂的Ecoflex层同时作为摩擦电界面和机械发光介质，在气流引起的变形下提供直接的光学反馈。Halbach增强的EMG在低至1.5 m/s的风速下仍能提供稳定的电输出，在3.5 m/s时达到最大功率14.7 mW，足以支持低功耗蓝牙传输。EHVS实现了直观、自主和长期的环境监测。
引言
近年来，物联网（IoT）、智能基础设施和分布式环境监测网络的迅速发展，推动了对部署在偏远和恶劣环境中的自主且无需维护的传感系统的空前需求[1]。然而，这类传感器网络的大规模部署仍受到能源供应、维护成本和系统可持续性的根本限制。随着自然灾害频率的增加以及对可持续基础设施管理需求的扩大，实时环境监测和预警系统变得越来越重要[2,3]。然而，传统的监测系统严重依赖电池或有线电源，经常面临使用寿命有限、维护困难以及在恶劣户外环境中能源供应不稳定等问题[4],[5],[6]。这些挑战激发了对能够持续收集环境能量以维持长期自主运行的自供电传感系统的深入研究[7,8]。在各种环境能源中，以风流、振动和旋转运动形式的机械能被广泛认为是分布式传感器节点最可持续和最易获取的能源之一，尤其是在户外和偏远地区[9]。目前的风驱动自供电系统主要基于三种物理转换原理——电磁、压电和摩擦电——每种原理都定义了不同的工作模式和性能范围[10]。电磁发电机（EMGs）通常基于线圈与磁场之间的相对运动工作，具有高电流输出和高旋转频率下的优异稳定性[11,12]；然而，在弱风或风速波动条件下，其性能会迅速下降[4]。压电纳米发电机（PENGs）依靠气流引起的振动使压电材料发生周期性变形，结构简单且能量密度高[13,14]，但受到压电元件疲劳和脆性的限制[15]。相比之下，摩擦电纳米发电机（TENGs）利用不同材料之间的接触电荷化和静电感应，即使在超低频率下也能实现高输出电压、轻量和高效运行[16],[17],[18]。然而，摩擦层之间的磨损和摩擦电荷转移的随机性仍然是影响其耐用性和稳定性的关键因素[19]。合理集成EMG和TENG单元可以互补优势，有效扩展工作频率范围，并在多种环境条件下实现高效的风能收集。
自供电的环境监测平台正朝着更直观、交互式和原位感知环境动态的方向发展，特别是在灾害频发和偏远地区[20]。在这方面，数据可视化和预警功能已成为智能环境监测系统不可或缺的组成部分。然而，传统的电子传感器通常需要持续的电源和外部通信模块，这严重限制了它们在偏远或极端环境中的部署[21,22]。在这种情况下，机械发光（ML）材料在受到振动、冲击或变形等机械刺激时发出可见光，为自供电视觉传感开辟了全新的可能性[23]。ML材料中的光发射源于发光中心内电荷载流子的应力诱导重新分布和重组，无需额外能量输入即可直接可视化外部刺激[24,25]。早期研究已将ML薄膜用于检测土木基础设施中的机械应力[26]、裂纹扩展和结构变形，而最新发展则将ML复合材料集成到柔性基底上，实现了可穿戴[22,27,28]、用于机械应变可视化的发光传感器。然而，分子激光发射的亮度和光学输出与机械刺激之间的定量相关性仍然是其实际应用的重大挑战。因此，将机械能收集与直接光学转换相结合代表了一条有前景但尚未充分探索的自供电和直观环境感知路径。这种融合指向了一类新的自供电环境监测系统，结合了能源自主性和原位感知能力。
近年来，结合TENGs和EMGs的混合风能系统因它们互补的能量转换机制和可持续自供电运行的潜力而受到越来越多的关注[[29],[30],[31],[32]]。已经开发了多种配置，以协同结合摩擦电和电磁效应，提高效率并扩展工作带宽。刘等人设计了一种独立模式的TENG，与旋转EMG集成，有效收集了弱风能，启动风速约为3.5 m/s [33]。Rahman等人开发了一种无接触的混合纳米发电机，能够收集宽频范围内的旋转能量（50-1000 rpm），具有超强的性能（200万次循环），展示了用于智能农业的自供电无线监测[34]。吴等人开发了一种静电-电磁混合发电机，在50 rpm时效率提高了8.8倍，功率增强了76.8%，能够通过瞬态气流直接为多个微设备供电[35]。然而，大多数现有的风能收集器主要设计为高输出，通常需要相对较高的风速才能开始运行。这限制了它们在低风速环境中的实际应用。此外，这些设备的输出信息主要局限于移动终端，无法实现直观的状态监测和实时警报。
本文开发了一种混合系统，将接触分离模式的摩擦电单元与Halbach阵列增强的电磁发电机集成在一起。EMG组件能够在低风速下提供高效的电能输出和平稳的自启动能力。同时，摩擦电纳米发电机组件使用ZnS:Cu机械电致发光（ML）弹性体作为摩擦电界面，通过发光实现风速检测并生成电信号。这种功能集成允许在没有外部电源的情况下实时可视化气流变化，实现了能量收集和感知的协同结合。混合能量转换和基于ML的可视化的结合不仅提高了环境适应性和系统可靠性，还代表了一种在多种户外条件下实现自供电、智能和交互式环境监测的新策略。
结构设计
如图1(a)所示，EHVS采用Halbach磁阵列来耦合摩擦电和电磁机制。风驱动的旋转转化为磁阵列的线性平移，与线圈阵列产生连续的相对运动，增强了电磁感应。图1(b)展示了结合EMG和传感单元的紧凑配置。Halbach阵列与多圈线圈对齐，以优化耦合并产生与
测量系统
使用鼓风机（型号YR412）模拟风流，并用风速计（TASI TA8164）监测相应的风速，如图4所示。使用Keithley 2611B System SourceMeter测量EHVS系统的开路电压。其他电气特性，包括短路电流和动态电压/电流响应，使用数字示波器（Tektronix MSO2024B）和精密万用表记录，从而确保了准确的特性表征
结论
总之，本研究报道了一种结合风能收集和视觉风速检测的混合纳米发电机，用于实时环境监测。该设备将单电极TENG与Halbach阵列增强的EMG集成在一起，在统一架构内实现了功能划分。ZnS:Cu掺杂的Ecoflex层同时作为机械发光介质和风响应传感界面，将气流引起的振动转换为协调的光学和
作者贡献
李秦：概念化、方法论、验证、撰写 - 原稿。余俊斌：调查、方法论。林俊飞：方法论、验证。郭宏宇：撰写 - 审稿与编辑。李正林：方法论、验证。刘秋航：方法论、验证。秦东云：撰写 - 审稿与编辑。穆继良：撰写 - 审稿与编辑。何健：撰写 - 审稿与编辑。周秀健：撰写 - 审稿与编辑。
资助
本研究得到了国家自然科学基金（U23A20639, U2341210, 52375554）和中国博士后科学基金（2022TQ0230, 2022M712324）的支持。
数据可用性声明
支持本研究结果的数据可在合理请求下从相应作者处获得。
CRediT作者贡献声明
李秦：撰写 – 原稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。余俊斌：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、调查、资金获取、概念化。林俊飞：撰写 – 审稿与编辑、验证、数据管理。郭宏宇：验证、数据管理。李正林：调查、正式分析。刘秋航：方法论、调查。秦东云：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
