CN104614065A

CN104614065A - 一种自驱动阵列式振动传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN104614065A
Application number: CN201510030414.3A
Authority: CN
Inventors: 张跃; 梁齐杰; 闫小琴; 廖新勤; 赵艳光; 曹诗瑶
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2015-01-21
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2015-05-13

Abstract

本发明涉及一种自驱动阵列式振动传感器及其制备方法，其中自驱动阵列式振动传感器包括：基底层、电极层和功能薄膜层，电极层由若干电极阵列构成，本发明通过应用摩擦起电和静电诱导两种效应，相比于一些传统的振动传感器而言，其可以实现自驱动的工作方式，也就是不需要外界供能而且可以同时实现对大规模振动物件的探测。这种传感器具有制备方法简单、成本低廉、探测精度高且可以在非接触模式下工作的优势且易于与设备集成在一起实现对设备运行的实时监测。其不仅可以探测导体、规则物体的振动，也可以探测绝缘体、不规则物体的振动而且可以实现记录被探测物的振动历史，在设备运行监测、过程控制等领域具有很大的应用前景。

Description

一种自驱动阵列式振动传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种自驱动阵列式振动传感器及其制备方法，在设备运行监测、过程控制和安全等领域具有广泛的应用前景。

背景技术

振动是存在于我们生活中的最普遍现象之一，一般由机械扰动产生，具有很多来源，例如：风、声音、引擎等。此外，在工业设备中产生的振动可以作为一个非常有用的机械参量来有效的监测设备运行和在设备出现问题的早期探测出机械故障。作为维护系统之一的设备的振动监测已经引起了极大的关注，主要由于这种监测具有的一些潜在优势，例如：减少连带损伤、增加设备的可使用性、最少的干扰生产活动以及确保设备的安全运行等。

探测振动是一种监测设备运行、安全预警和预测自然灾害的重要的传感技术。目前的振动传感器按原理有：压电式振动传感器 (Nano Energy, 2012, 1, 418.)、压阻式振动传感器、光学振动传感器 (Optics & Laser Technology, 2007, 39, 1537.) 和电容式振动传感器等。按实现方式可分为直接式和间接式。直接式一个很好的例子是光学振动传感器。很多直接的方法只能存在于实验室中，主要是因为它的实际应用的一些限制，像不易实现探测和对被探测物的辐照问题等。间接式测量方法是通过被探测的振动产生探测电信号，再对信号的分析中表明被探测物的振动状态。

然而，以上的振动传感器或多或少会存在一些劣势。首先，是其需要外界的持续功能，也就是其本身需要消耗能量，很多时候供能采用的是电池，这就带来了更换电池的麻烦，特别是对于需要大规模应用的时候。其次，监测设备的复杂，许多传感器需要很多额外的附件，体积大且笨重。最后，实现不了大规模的监测，也就是多通道工作的能力有限。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种不需要外界供能，同时可对大规模振动物件探测的自驱动阵列式振动传感器及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种自驱动阵列式振动传感器，包括：基底层、电极层和功能薄膜层，所述电极层设置于基底层上表面，所述功能薄膜层设置于电极层上表面，所述电极层包括若干电极，所述电极阵列排布构成电极层。

进一步的，所述电极的材料包括：铝、铜、掺氟氧化锡（FTO）和氧化铟锡（ITO）。

进一步的，所述功能薄膜层的材料包括：聚四氟乙烯（PTFE）、聚氯乙烯（PVC）、聚酰亚胺（PI）、聚丙烯晴（PAN）、聚偏氟乙烯（PVDF）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）。

进一步的，所述电极阵列排布方式包括：矩形阵列排布、环形阵列排布、不规则阵列排布。

一种自驱动阵列式振动传感器的制造方法，包括如下步骤：

a. 将厚度为50微米的聚四氟乙烯薄膜（PTFE）裁剪为长度为5厘米且宽度为5厘米的矩形制成功能薄膜层；

b. 将得到的功能薄膜层和使用的基底层依次在丙酮、异丙醇、乙醇中各置于超声清洗机中清洗二十分钟，烘干；

c. 将长度为5厘米且宽度为3厘米的铝箔裁剪成相同的九块制成电极，将电极黏在基底上，得到阵列化电极且每个电极分别连接导线；

d. 将步骤b中的功能薄膜层黏在阵列化后的电极上，得到自驱动阵列式振动传感器。

进一步的，所述自驱动阵列式振动传感器的电极数量为1~100个。

本发明的有益之处在于，通过应用摩擦起电和静电诱导两种效应实现的自驱动阵列式振动传感器相比于一些传统的振动传感器而言，其可以实现自驱动的工作方式，也就是不需要外界供能，同时可以实现对大规模振动物件的探测，这种传感器的制备方法简单、成本低廉、探测精度高且可以在非接触模式下工作，易于与设备集成在一起实现对设备运行的实时监测；不仅可以探测导体、规则物体的振动，也可以探测绝缘体、不规则物体的振动；可以实现记录被探测物的振动历史，在设备运行监测、过程控制等领域具有很大的应用前景。

附图说明

图1 为本发明自驱动阵列式振动传感器结构示意图；

图 2为本发明电极层结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

如图1、图2所示，一种自驱动阵列式振动传感器，所述自驱动阵列式振动传感器包括基底层1、电极层2和功能薄膜层3，所述电极层2设置于基底层1上表面，所述功能薄膜层3设置于电极层2上表面，所述电极层2由若干矩形电极4阵列排布构成，其阵列方式包括：矩形阵列排布、环形阵列排布、不规则阵列排布，每个电极4之间互相独立，而且每个电极4都连接有导线，彼此之间不会影响，可靠性高，所述电极4的材料包括：铝、铜、掺氟氧化锡（FTO）和氧化铟锡（ITO），所述功能薄膜层3材料包括：聚四氟乙烯（PTFE）、聚氯乙烯（PVC）、聚酰亚胺（PI）、聚丙烯晴（PAN）、聚偏氟乙烯（PVDF）和聚二甲基硅氧烷（PDMS），在探测绝缘体时，由于功能薄膜层3材料也为绝缘材料，会影响探测的准确性，故在探测绝缘体时，将功能薄膜层3去除，自驱动阵列式振动传感器结构变为包括：电极层2与基底层1，将电极层2与被探测物接触即可。

探测时，将制备的自驱动阵列式传感器置于被探测物的振动方向上，当被探测物与器件的功能薄膜层3（探测导体）或者电极层2（探测绝缘体）接触之后，依据被探测物与器件的功能薄膜层3或电极层2之间的电荷转移情况，被探测物与器件接触的表面会带正电荷或者负电荷。此时的紧密接触使器件与被探测物处于一种平衡状态，并没有电子的转移和电信号的产生。当被探测物离开传感器时，在传感器电极4与地电极之间产生一个电势差，此时电极4与地电极之间将会有电子的流动以屏蔽此电势差，产生了一个电信号脉冲，此信号一直持续到振动达到最高点。当被探测物从最高点再次接近器件时，一个与上面远离时方向相反的电极4与地电极之间的电势差将会产生，此时电子要在电极4与地电极之间流动，流动方向也与远离时方向相反，此脉冲信号一直持续到被探测物与器件紧密接触的时候，也就是重新回到平衡态的时候。对于一个振动循环，一个交流脉冲将会产生，通过分析信号的频率可以反映每个振动单元的振动频率，从而监测每个单元的振动频率是否偏离正常状态；通过分析有无电压信号的输出，可以分析出每个振动单元是否在工作，有输出说明该单元在振动，也就是在工作，反之亦然；通过分析输出电压信号的值得大小，可以反映每个振动单元的振幅变化；通过记录每个振动单元一定时间范围内的振动输出的电信号，加以分析可得到每个振动单元的振动历史，包括每个时间点是否在工作、工作频率、工作振幅等，从而准确的测量出被探测物的振动情况，在探测过程中，被探测物的振动会使自驱动阵列式传感器与被探测物接触的位置发生细微变形，使所述功能薄膜层3和所述电极层2（探测导体）或被探测物和所述电极层2（探测绝缘体）的接触面发生相对滑动摩擦，并且导致接触面积发生变化，通过电极层2向外电路输出电信号，将机械能转化为电能，实现自身供能，达到自驱动。

一种自驱动阵列式振动传感器制备方法，其步骤如下：

a. 将厚度为50微米的聚四氟乙烯薄膜（PTFE）裁剪为长度为5厘米且宽度为5厘米的矩形制成功能薄膜层3；

b. 将得到的功能薄膜层3和使用的基底层1依次在丙酮、异丙醇、乙醇中各置于超声清洗机中清洗二十分钟，烘干；

c. 将长度为5厘米且宽度为3厘米的铝箔裁剪成相同的九块制成电极4，将电极4黏在基底上，得到阵列化电极4且每个电极4分别连接导线；

d. 将步骤（2）中的功能薄膜层3黏在阵列化后的电极4上，得到自驱动阵列式振动传感器。

所述方法中步骤按顺序进行，该方法工艺简单，操作方便，且制得的自驱动阵列式振动传感器可符合使用要求。

制作功能薄膜层的材料并不限于上述的聚四氟乙烯（PTFE），也可以使用其他材料的包括：聚氯乙烯（PVC）、聚酰亚胺（PI）、聚丙烯晴（PAN）、聚偏氟乙烯（PVDF）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）等。

制作电极4的材料并不限于上述的铝，也可使用其他材料，包括：铜、掺氟氧化锡（FTO）和氧化铟锡（ITO）等。

每个自驱动阵列式振动传感器的电极4数量为1~100个。

本发明的有益之处在于，通过应用摩擦起电和静电诱导两种效应实现的自驱动阵列式振动传感器相比于一些传统的振动传感器而言，其可以实现自驱动的工作方式，也就是不需要外界供能，同时由于电极阵列式排布可以实现对大规模振动物件的探测，这种传感器的制备方法简单、成本低廉、探测精度高且可以在非接触模式下工作，易于与设备集成在一起实现对设备运行的实时监测；不仅可以探测导体、规则物体的振动，也可以探测绝缘体、不规则物体的振动；可以实现记录被探测物的振动历史，在设备运行监测、过程控制等领域具有很大的应用前景。

Claims

1.一种自驱动阵列式振动传感器，包括：基底层（1）、电极层（2）和功能薄膜层（3），所述电极层（2）设置于基底层（1）上表面，所述功能薄膜层（3）设置于电极层（2）上表面，其特征在于，所述电极层（2）包括若干电极（4），所述电极（4）阵列排布构成电极层（2）。

2.根据权利要求1所述的自驱动阵列式振动传感器，其特征在于，所述电极（4）的材料包括：铝、铜、掺氟氧化锡（FTO）和氧化铟锡（ITO）。

3.根据权利要求1所述的自驱动阵列式振动传感器，其特征在于，所述功能薄膜层（4）的材料包括：聚四氟乙烯（PTFE）、聚氯乙烯（PVC）、聚酰亚胺（PI）、聚丙烯晴（PAN）、聚偏氟乙烯（PVDF）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）。

4.根据权利要求1所述的自驱动阵列式振动传感器，其特征在于，所述电极（4）阵列排布方式包括：矩形阵列排布、环形阵列排布、不规则阵列排布。

5.一种自驱动阵列式振动传感器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

a. 将厚度为50微米的聚四氟乙烯薄膜（PTFE）裁剪为长度为5厘米且宽度为5厘米的矩形制成功能薄膜层（3）；

b. 将得到的功能薄膜层（3）和使用的基底层（1）依次在丙酮、异丙醇、乙醇中各置于超声清洗机中清洗二十分钟，烘干；

c. 将长度为5厘米且宽度为3厘米的铝箔裁剪成相同的九块制成电极（4），将电极（4）黏在基底上，得到阵列化电极且每个电极（4）分别连接导线；

d. 将步骤b中的功能薄膜层（3）黏在阵列化后的电极（4）上，得到自驱动阵列式振动传感器。

6.根据权利要求5所述的自驱动阵列式振动传感器制造方法，其特征在于，所述功能薄膜层（3）的材料包括：聚四氟乙烯（PTFE）、聚氯乙烯（PVC）、聚酰亚胺（PI）、聚丙烯晴（PAN）、聚偏氟乙烯（PVDF）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）。

7. 根据权利要求5所述的自驱动阵列式振动传感器制造方法，其特征在于，所述电极（4）的材料包括：铝、铜、掺氟氧化锡（FTO）和氧化铟锡（ITO）。

8.根据权利要求5所述的自驱动阵列式振动传感器制造方法，其特征在于，所述自驱动阵列式振动传感器的电极（4）数量为1~100个。