CN103698002B - 一种振动探测器和探测方法 - Google Patents

一种振动探测器和探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种振动探测器，包括纳米发电机和检测装置，其中，所述纳米发电机，用于在振动物体的振动作用下随着所述振动产生形变，并在所述纳米发电机的两电极之间产生电信号；所述检测装置，用于检测所述纳米发电机产生的电信号，并根据所述电信号获得所述振动物体的振动频率或振幅。相应地，本发明还提供一种振动探测方法。本发明的振动探测器，无需为纳米发电机提供电源，由振动物体的振动驱动纳米发电机产生电信号，通过检测装置分析出振动的频率和幅度。可以应用在设备振动探测、桥梁振动检测、健康监测等领域中，也可用于一些危险的和不适于应用外部能源的特殊环境。

Description

一种振动探测器和探测方法
技术领域
本发明涉及传感器领域，特别是涉及一种探测振动的振动探测器和探测方法。
背景技术
在现有技术中，有关振动探测器的种类很多，以常用的激光测振仪为例，激光测振仪的核心是一台高精密激光干涉仪和一台信号处理器，激光干涉仪通过收集被测物体表面反射回的微弱激光，经光线干涉产生频移信号，信号处理器将频移信号转换为速度和位移信号，获得被测物体的振动信息。激光干涉仪和信号处理器都是精密设备，不仅体积较大、结构复杂、设备成本高，而且需要为激光测振仪提供外部电源才能进行探测，这些缺点限制了激光测振仪的广泛应用。
发明内容
为了克服上述现有振动探测器需要外部电源供电的缺陷，本发明的目的在于提供一种自驱动的振动探测器。
为了达到上述目的，本发明提供一种振动探测器，包括纳米发电机和检测装置，其中，
所述纳米发电机，用于在振动物体的振动作用下随着所述振动产生形变，并在所述纳米发电机的两电极之间产生电信号；
所述检测装置，用于检测所述纳米发电机产生的电信号，并根据所述电信号获得所述振动物体的振动频率或振幅。
优选地，所述纳米发电机包括：
柔性基底；
所述柔性基底上的底电极；
所述底电极上的压电层；
所述压电层上的介质层；
所述介质层上的顶电极。
优选地，所述纳米发电机的基底或顶电极贴附在所述振动物体的振动表面上。
优选地，包括纳米发电机与所述振动物体之间包括介质，所述振动物体的振动能量通过所述介质传递至所述纳米发电机使所述纳米发电机产生形变。
优选地，所述介质为气体、液体或弹性固体材料。
优选地，所述柔性基底为柔性聚合物或可弯曲的金属片/箔。
优选地，所述压电层的材料为ZnO、Pb(Zr，Ti)O3、BaTiO3或GaN。
优选地，所述检测装置为电压或电流信号的检测装置。
相应地，本发明还提供一种振动探测方法，包括：
振动物体产生振动；
所述振动使纳米发电机发生形变，并在所述纳米发电机的两电极之间产生电信号；
检测所述纳米发电机随所述振动产生的电信号，并根据所述电信号获得所述振动物体的振动频率或振幅。
优选地，所述纳米发电机粘贴在所述振动物体上，所述振动使纳米发电机发生形变步骤为：
所述振动物体振动时的表面使纳米发电机发生形变。
优选地，所述纳米发电机与所述振动物体之间包括介质，所述振动使纳米发电机发生形变步骤为：
所述振动物体的振动引起所述介质形变；
所述介质形变带动所述纳米发电机产生形变。
与现有技术相比，本发明的振动探测器具有下列优点：
本发明提供一种振动探测器和探测方法，所述振动探测器包括纳米发电机和检测装置，其中，所述纳米发电机，用于在振动物体的振动作用下随着所述振动产生形变，并在所述纳米发电机的两电极之间产生电信号；所述检测装置，用于检测所述纳米发电机产生的电信号，并根据所述电信号获得所述振动物体的振动频率或振幅。采用本发明的振动探测器，无需为纳米发电机提供电源，由振动物体的振动驱动纳米发电机产生电信号，通过检测装置分析出振动的频率和幅度。振动探测器的结构简单，制备和运行成本低，可以应用在设备振动探测、桥梁振动检测、健康监测等领域中，也可用于一些危险的和不适于应用外部能源的特殊环境，例如低温或辐射环境中。
附图说明
通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为本发明第一实施例振动探测器的结构示意图；
图2为振动探测器中纳米发电机的结构示意图；
图3至图5为采用本发明的振动探测方法和激光干涉探测方法探测鼓面振动频率结果曲线；
图6为发明第二实施例振动探测器的结构示意图；
图7为本发明振动探测方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有的振动探测器中，探测装置的工作都需要外部电源供电，这不仅增加了设备成本，探测器的结构也比较复杂。纳米发电机的发明可以被视为利用纳米压电发电科学现象到实际应用发展过程中的一个重大突破，迄今为止不同结构的纳米发电机被构造出，极大的拓宽了纳米发电机转化自然界浪费和闲置的能量源为电能的能力，同时也为监测这些能量源提供了一个全新的手段。只要纳米发电机能够感受到形变，并且这一形变所产生的压电势能够在两电极间产生电势差，那么该形变就以电学信号的形式被探测到，同时，若产生的形变就有一定的频率，那么这一频率将被探测到。基于纳米发电机的工作原理，本发明提供的振动探测器的技术方案为，通过纳米发电机感知振动物体的振动，直接测量和分析纳米发电机产生的电学信号就可获得振动物体的频率特征和振幅等信息。
本发明的采用本发明的振动探测器，在整个探测过程中，无需外部电源驱动探测器，也无需外部设备来感应频率信号。
下面结合附图详细介绍本发明的具体实施方式。
实施例一：
参见图1，本实施例的振动探测器，包括纳米发电机110和检测装置120，其中，纳米发电机110贴附在振动物体S1的振动表面上，纳米发电机110用于在振动物体S1的振动作用下随着所述振动产生形变，并在所述纳米发电机的两电极之间产生电信号；检测装置120，用于检测纳米发电机110产生的电信号，并根据所述电信号获得所述振动物体S1的振动频率或振幅。
当振动物体S1产生振动时，贴附在振动物体S1振动表面上的纳米发电机110随着所述振动表面发生形变，在纳米发电机的两电极之间产生电信号，检测装置根据该电信号即可判断振动物体振动表面的振幅。若振动物体的振动表面为周期性振动，检测装置根据检测到的电信号的变化规律可以确定振动物体的振动频率。
本发明中，纳米发电机的结构有多种，只要在机械力的作用下可以产生电信号的纳米装置都可以作为本实施例中的纳米发电机。由于纳米发电机的体积小、质量轻，帖附在振动物体表面的纳米发电机对振动物体的频率和振幅产生的影响可以忽略。
本实施例中，纳米发电机110在振动物体S1的振动带动下发生形变，结构可以为多层结构，参见图2，包括：柔性基底1；柔性基底1上的底电极2；底电极2上的压电层3，压电层3上的介质层4；介质层4上的顶电极5。通过底电极和顶电极的电极引出线6与检测装置连接。其中，柔性基底可以为柔性聚合物或可弯曲的金属片/箔；底电极和顶电极可以为金属、合金等电极；压电层的材料可以为任何压电薄膜或压电纳米结构材料，例如：ZnO、Pb(Zr,Ti)O3、BaTiO3、GaN等的薄膜、纳米线或纳米棒等。
压电层的材料优选为ZnO、GaN等纤锌矿结构压电材料的纳米线。介电层的材料可以为聚合物，如PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）、PI（聚亚酰胺）、PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）、PS（聚苯乙烯）等。图2中右上角插图为纳米发电机的整体形貌。
以压电层采用氧化锌纳米线微例，本发明中纳米发电机的工作原理为：由于氧化锌纳米线为压电材料，当纳米发电机受到振动物体的振动导致氧化锌纳米线发生形变时，纳米线内部会由应变产生一个相应的压电电场。由于感应电荷的作用，这个压电电场会使上下电极表面产生电势差，这个电势差会进而驱动外电路的电子从一端电极流向另一端电极，从而形成电流，直至电极上累积的电子与压电电场达到平衡；而当外加应力卸载的时候，由压电电场形成的电势差消失，其中一个电极上积累的电子会由相反方向流回，这样就形成了一个交流的电流信号。在实际应用中，也可以检测振动物体的振动作用下纳米发电机在两个电极之间的电压信号。
下面以压电纳米线层采用ZnO为例，具体介绍纳米发电机的制备过程。结合图2，先在厚度约50μm的PI(聚酰亚胺)基底1上沉积Cr/Au下电极2，溅射一层50nm厚的ZnO种子层，然后悬浮于六水合硝酸锌和六四甲基四胺的比例为10：1的溶液中，放入烘箱中在75℃下生长12小时生长ZnO纳米线层3，压电纳米线的取向基本垂直与所述基底1。生长完成后旋涂一层厚度约2μm的介电层PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯）4，再在其上沉积Cr/Au上电极5，上下电极由电极引出线6引出,最后旋涂厚度10μm左右的PDMS（Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷）封装，完成纳米发电机的制备。封装层的材料也可以为厚度10μm左右任意防潮的聚合物。
纳米发电机中ZnO纳米线层的生长过程不限于上述过程，也可以在溅射完成ZnO种子层后，悬浮于六水合硝酸锌和六四甲基四胺的比例为1：1的溶液中，放入烘箱中在95℃下生长5小时，获得ZnO纳米线层。
本实施例中的检测装置可以为电压或电流信号的检测装置，例如StanfordResearchSystem公司生产的SR560和SR570的电压/电流放大器，经过放大器的信号由信号采集装置传输到计算机中，并由软件进行读取。还可以在所述检测装置中预设电信号与纳米发电机中的压电层材料的形变量之间的对应关系，用于根据纳米发电机产生的电信号探测震动物体的振幅。
将上述制备好的纳米发电机的基底粘贴于鼓面上，敲击鼓面时检测装置探测到纳米发电机底电极和顶电极之间产生的电信号，傅里叶变换后得到频率谱，如图3和图4所示，其中右侧曲线为纳米发电机（NG）探测到的振动产生的电信号。为了验证测量是否正确，利用传统的激光测振法（Laser）的测量结果也在图3中给出。从图3可以看出，无论是纳米发电机探测到的电信号还是激光干涉法测到的鼓面的位移信号，两者具有相同的变化趋势。获得的鼓面的振动频率也在误差范围内，这充分证明利用纳米发电机作为频率探测器是精准的和可行的。只要纳米发电机感受到鼓面的形变，并且形变使其在两电极间产生相应的压电势差，那么纳米发电机就可以产生与之相对应的电信号，从而探测引起形变的频率和形变量，如果为振动，则可探测到振动的频率和振幅。
纳米发电机中ZnO纳米线层的生长过程不限于上述过程，也可以在溅射完成ZnO种子层后，悬浮于六水合硝酸锌和六四甲基四胺的比例为1：1的溶液中，放入烘箱中在95℃下生长5小时，获得ZnO纳米线层。制备的纳米发电机进行鼓面振动测量频率结果参见图5。
在本实施例中，也可以将纳米发电机的顶电极贴附在震动物体的表面上，随着震动物体的震动，使纳米发电机中的压电层产生形变，并且形变使其在两电极间产生电信号，通过检测装置检测所述电信号来探测震动的频率或幅度。
本实施例利用纳米发电机的振动探测器无需外部供电和自感应，而且作为探测器更具有价格低廉、结构简单方便的优点。
实施例二：
参见图6，本实施例的振动探测器，包括纳米发电机210和检测装置220，其中，纳米发电机210与振动物体S2的振动表面之间包括介质200，纳米发电机210用于在振动物体S2的振动作用下随着所述振动产生形变，并在所述纳米发电机的两电极之间产生电信号；检测装置220，用于检测纳米发电机210产生的电信号，并根据所述电信号获得所述振动物体S2表面的振动频率或振幅。
当振动物体S2产生振动时，振动能量通过介质200将振动传递至纳米发电机210，使纳米发电机210随着所述振动发生形变，在纳米发电机的两电极之间产生电信号，检测装置根据该电信号即可判断振动物体的振幅。若振动物体的振动表面为周期性振动，检测装置根据检测到的电信号的变化规律可以确定振动物体的振动频率。
本实施例中，介质200可以为气体、液体或弹性固体材料等可以传递振动能量的材料。本实施例的振动探测器可以应用在液体、气体或生物体等环境中。特别是可以应用在生物体中，例如生物体中的脉搏振动、心脏跳动等振动的探测，可以应用在健康的实时监测或者远程治疗方面。
本实施例中，纳米发电机的结构有多种，可以采用与实施例一中相同的结构，在这里不再重复。检测装置可以为电压或电流信号的检测装置，例如StanfordResearchSystem公司生产的SR560和SR570的电压/电流放大器，经过放大器的信号由信号采集装置传输到计算机中，并由软件进行读取。
实施例三：
本实施例中提供一种振动探测方法，具体流程参见图7，包括：
步骤S10，振动物体产生振动；
步骤S11，所述振动使纳米发电机发生形变，并在所述纳米发电机的两电极之间产生电信号；
步骤S12，检测所述纳米发电机随所述振动产生的电信号，并根据所述电信号获得所述振动物体的振动频率或振幅。
本实施例的振动探测方法中，所述纳米发电机可以粘贴在所述振动物体的表面上，振动能量直接传递至纳米发电机，所述振动物体振动时的表面使纳米发电机发生形变，在纳米发电机的两电极之间产生电信号，最后通过检测装置检测纳米发电机产生的电信号。
本实施例的振动探测方法中，所述纳米发电机与所述振动物体之间包括介质，所述振动物体的振动引起所述介质形变，所述介质形变带动所述纳米发电机产生形变，最后通过检测装置检测纳米发电机产生的电信号。
本实施例的振动探测方法无需为纳米发电机提供电源，由振动物体的振动驱动纳米发电机产生电信号，通过检测装置分析出振动的频率和幅度。探测器的结构简单，制备和运行成本低。可以应用在设备振动探测、桥梁振动检测、健康监测等领域中。本发明的振动探测器也可用于一些危险的和不适于应用外部能源的特殊环境，例如低温或辐射环境中。
本发明的所有实施例中，所述的振动物体可以为待探测物体整体在振动，或者是部分振动，例如振动的设备，或者只有表面振动的鼓面等。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种振动探测器，其特征在于，包括纳米发电机和检测装置，其中，
所述纳米发电机，用于在振动物体的振动作用下随着所述振动产生形变，并在所述纳米发电机的两电极之间产生电信号；
所述检测装置，用于检测所述纳米发电机产生的电信号，并根据所述电信号获得所述振动物体的振动频率或振幅；
所述纳米发电机包括：柔性基底；所述柔性基底上的底电极；所述底电极上的压电层；所述压电层上的介质层；所述介质层上的顶电极；
在纳米发电机与所述振动物体之间设有介质，所述振动物体的振动能量通过所述介质传递至所述纳米发电机使所述纳米发电机产生形变；其中，所述介质为气体、液体或弹性固体材料。
2.根据权利要求1所述的振动探测器，其特征在于，所述柔性基底为柔性聚合物或可弯曲的金属片/箔。
3.根据权利要求1所述的振动探测器，其特征在于，所述压电层的材料为ZnO、Pb(Zr,Ti)O3、BaTiO3或GaN。
4.根据权利要求1所述的振动探测器，其特征在于，所述检测装置为电压或电流信号的检测装置。
5.一种振动探测方法，其特征在于，包括：
振动物体产生振动；
所述振动使纳米发电机发生形变，并在所述纳米发电机的两电极之间产生电信号；所述纳米发电机与所述振动物体之间设有介质，所述振动使纳米发电机发生形变步骤为：所述振动物体的振动引起所述介质形变；所述介质形变带动所述纳米发电机产生形变；其中，所述介质为气体、液体或弹性固体材料；
检测所述纳米发电机随所述振动产生的电信号，并根据所述电信号获得所述振动物体的振动频率或振幅。
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