CN104776868A - 自供能传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自供能传感器，包括：屏蔽壳体，其内部限定出上下敞开腔室；下盖板，其位于屏蔽壳体下端；承压板，其位于屏蔽壳体上端；弹性回复件，承压板与屏蔽壳体通过弹性回复件相连；静电组件，其由静电部、第一绝缘件和第二绝缘件组成，静电部包括相互分离设置的第一静电部和第二静电部，第一静电部通过第一绝缘件固定设置在承压板下表面，第二静电部通过第二绝缘件固定设置在下盖板上表面，第一静电部和第二静电部之间具有间隙，第一静电部和/或第二静电部具有静电荷，当承压板受到外力时，弹性回复件产生形变，使承压板与屏蔽壳体之间产生相对位移，带动第一静电部和第二静电部之间距离变化，从而使静电组件输出电压产生变化。

Description

自供能传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体而言，本发明涉及一种自供能传感器。

背景技术

用电测法测量非电学量时，首先必须将被测的非电学量转换为电学量而后输入之。通常把非电学量变换成电学量的元件称为变换器；根据不同非电学量的特点设计成的有关转换装置称为传感器，而被测的力学量(如位移、力、速度等)转换成电容变化的传感器称为电容传感器。

现有的电容传感器在进行非电学量转换时，都需要提前给电容器通电，之后才能监测电容值的变化，这样就导致其有使用环境严重受限，且连接电路较为复杂等问题。

因此，现有的传感器有待进一步改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种自供能传感器，该传感器可以用于位移、速度、加速度以及力学的检测，并且不需要额外提供能量，具有使用范围广、连接电路简单等特点。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种自供能传感器，包括：

屏蔽壳体，所述屏蔽壳体内部限定出上下敞开的腔室；

下盖板，所述下盖板位于所述屏蔽壳体的下端且适于封闭所述腔室的下端开口；

承压板，所述承压板位于所述屏蔽壳体的上端且适于封闭所述腔室的上端开口；

弹性回复件，所述承压板与所述屏蔽壳体通过所述弹性回复件相连；

静电组件，所述静电组件由静电部以及分别位于所述静电部上表面和下表面的第一绝缘件和第二绝缘件组成，所述静电组件设置在所述腔室内，所述静电部包括自上至下相互分离设置的第一静电部和第二静电部，所述第一静电部通过所述第一绝缘件固定设置在所述承压板的下表面，所述第二静电部通过所述第二绝缘件固定设置在所述下盖板的上表面，所述第一静电部和第二静电部之间具有间隙，所述第一静电部和/或第二静电部具有静电荷，

当所述承压板受到外力作用时，所述弹性回复件产生形变，进而使所述承压板与所述屏蔽壳体之间产生相对位移，带动所述第一静电部和第二静电部之间距离发生变化，从而使所述静电组件的输出电压产生变化。

根据本发明实施例的自供能传感器通过采用可以形变的弹性回复件，使得当承压板受到外力时，承压板挤压弹性回复件发生形变，从而使得第一静电部和第二静电部之间的距离发生变化，而由于第一静电部和/或第二静电部上具有静电荷，进而使得第一静电部和第二静电部之间的电势差发生变化或第一静电部和第二静电部的任何一个与零电势物体(如屏蔽壳体)之间存在电势差发生变化，然后通过相应的测量设备(如静电电压计)可以测得输出电压的变化。

因此本发明的自供能传感器拥有不需要电源供应、连接电路简单、受环境限制较小的优点。

另外，根据本发明上述实施例的自供能传感器还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述第一绝缘件包括从上至下层叠的第一绝缘层和第一绝缘垫圈，所述第二绝缘件包括从上至下层叠的第二绝缘垫圈和第二绝缘层。由此，可以有效避免电荷的泄漏。

在本发明的一些实施例中，所述弹性回复件为挤压垫圈，所述挤压垫圈设置在所述屏蔽壳体上端与所述承压板下表面之间。

在本发明的一些实施例中，所述屏蔽壳体、下盖板及承压板由金属或含有金属和非金属的复合材料组成。由此，可以有效形成静电屏蔽空间，从而保证静电部不受外界电信号干扰。

在本发明的一些实施例中，所述第一静电部由第一电极组成，所述第二静电部由第一高分子聚合材料件组成。

在本发明的一些实施例中，所述第二静电部进一步包括第二电极，所述第二电极设置在所述第一高分子聚合材料件的下表面。

在本发明的一些实施例中，所述第一静电部进一步包括第二高分子聚合材料件，所述第二高分子聚合材料件设置在所述第一电极的下表面。

在本发明的一些实施例中，所述第一静电部进一步包括第二高分子聚合材料件，所述第二静电部进一步包括第二电极，所述第二高分子聚合材料件设置在所述第一电极的下表面，所述第二电极设置在所述第一高分子聚合材料件的下表面。

在本发明的一些实施例中，所述第一高分子聚合材料件和/或第二高分子聚合材料件上具有静电荷。

在本发明的一些实施例中，所述第一电极及所述屏蔽壳体为所述自供能传感器的信号输出端。

在本发明的一些实施例中，所述第一电极与所述第二电极为所述自供能传感器的信号输出端。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的自供能传感器的结构爆炸示意图；

图2是根据本发明一个实施例的自供能传感器中的静电组件的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的自供能传感器中的静电部的结构示意图；

图4是根据本发明又一个实施例的自供能传感器中的静电部的结构示意图；

图5是根据本发明再一个实施例的自供能传感器中的静电部的结构示意图；

图6是根据本发明再一个实施例的自供能传感器中的静电部的结构示意图；

图7是根据本发明一个实施例的自供能传感器的剖面结构示意图；

图8采用本发明一个实施例的自供能传感器所得到的电压-位移图谱。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种自供能传感器。下面参考图1-8对本发明实施例的自供能传感器进行详细描述。根据本发明的实施例，该传感器包括：

屏蔽壳体100：根据本发明的实施例，屏蔽壳体100内部限定出上下敞开的腔室10。

根据本发明的实施例，屏蔽壳体100可以由金属或含有金属和非金属的复合材料组成。具体的，当屏蔽壳体材料为金属时，金属材料可以同时起到支撑和电信号屏蔽功能；当屏蔽壳体材料为含有金属和非金属的复合材料时，非金属材料作为屏蔽壳体的支撑结构，金属材料包覆在非金属材料的外表层或内表层，起到电信号屏蔽作用。

下盖板200：根据本发明的实施例，下盖板200可以位于屏蔽壳体100的下端且适于封闭腔室10的下端开口。需要说明的是，本文中的“下盖板适于封闭腔室的下端开口”可以理解为下盖板可以完全覆盖腔室的下端开口且能够与屏蔽壳体100的下端固定连接。

根据本发明的实施例，下盖板200的材料与屏蔽壳体100的选材相同。

承压板300：根据本发明的实施例，承压板300位于屏蔽壳体100的上端且适于封闭腔室10的上端开口。具体的，承压板300与屏蔽壳体100之间能够发生相对的位移，位移的方向为腔室10的深度延伸方向。

根据本发明的实施例，承压板300的材料与屏蔽壳体100的选材相同。

弹性回复件400：根据本发明的实施例，承压板300与屏蔽壳体100通过弹性回复件400相连。具体的，当承压板未受到外力时，承压板、屏蔽壳体和弹性回复件三者之间的连接为固定连接，承压板封闭屏蔽壳体的腔室的上端开口；而当承压板受到外力时，弹性回复件发生形变，承压板可以沿腔室的深度延伸方向移动。

根据本发明的实施例，弹性回复件400可以为挤压垫圈，并且挤压垫圈可以设置在屏蔽壳体500上端与承压板300下表面之间。具体的，根据产品功能、外观等需要，本领域技术人员可以将承压板设计成凸台结构，挤压垫圈套设在凸台结构上，这样可以使产品外观更加美观，当然本领域技术人员可以使用其它机械结构，挤压垫圈可以为具有弹性形变且可恢复的弹性体，例如可以为橡胶、塑料和弹簧等。

静电组件500：根据本发明的实施例，静电组件500由静电部51以及分别位于静电部51上表面和下表面的第一绝缘件52和第二绝缘件53组成(如图2所示)。

根据本发明的实施例，静电组件500设置在腔室10内。

根据本发明的实施例，静电部51包括自上至下相互分离设置的第一静电部54和第二静电部55，根据本发明的具体实施例，第一静电部54可以通过第一绝缘件52固定设置在承压板300的下表面，第二静电部55可以通过第二绝缘件53固定设置在下盖板200的上表面，其中，第一静电部54和第二静电部55之间具有间隙60，间隙60的初始距离可根据产品参数确定。

根据本发明的实施例，第一静电部54和第二静电部55的至少一个上面具有静电荷，该静电荷的作用是使静电组件相对设置的两个静电部之间感应产生静电电压，并可通过输出端输出输出电压。

根据本发明的实施例，当承压板300受到外力作用时，弹性回复件400产生形变，进而使承压板300与屏蔽壳体100之间产生相对位移，带动第一静电部54和第二静电部55之间的间隙60的距离发生变化，从而使静电组件500的输出电压产生变化。

根据本发明的实施例，第一绝缘件52包括从上至下层叠的第一绝缘层56和第一绝缘垫圈57。由此，可以有效避免电荷的泄漏。

根据本发明的实施例，第二绝缘件53包括从上至下层叠的第二绝缘垫圈58和第二绝缘层59。由此，可以进一步有效避免电荷的泄漏。

具体的，静电部根据不同需要可以采用如下组合形式：

如图3所示，第一静电部54由第一电极541组成，第二静电部55由第一高分子聚合材料件551组成。在该种结构静电部的传感器中，第一电极541和屏蔽壳体100作为传感器的信号输出端。此种结构的静电部的优点是结构简单，但存在着输出电压信号相对较弱的问题，这一问题可根据不同传感器参数的需要及适当调整间隙60的距离可以克服。

如图4所示，在图3所示结构基础上，第二静电部55进一步增加了第二电极552，第二电极552设置在第一高分子聚合材料件551的下表面，即第二静电部55由层叠设置的第第一高分子聚合材料件551和第二电极552组成。在该种结构的传感器中，第一电极541和第二电极552作为传感器的信号输出端。此种结构的发电部的优点是输出电压信号相对较大。

如图5所示，在图3所示结构基础上，第一静电部54进一步增加了第二高分子聚合材料件542，第二高分子聚合材料件542设置在第一电极541的下表面，即第一静电部54由层叠设置的第一电极541和第二高分子聚合材料件542组成。在该种结构的传感器中，第一电极541和屏蔽壳体100作为传感器的信号输出端。此种结构的发电部采用高分子聚合材料件与高分子聚合材料件相互感应，优点是输出电压信号相对较大，优选第一高分子聚合材料件和第二高分子聚合材料件选用不同的材料。

如图6所示，在图3所示结构基础上，第一静电部进一步增加了第二高分子聚合材料件542，第二静电部进一步增加了第二电极552，其中，第二高分子聚合材料件542设置在第一电极541的下表面，第二电极552设置在第一高分子聚合材料件551的下表面，即第一静电部54由层叠设置的第一电极541和第二高分子聚合材料件542组成，第二静电部55由层叠设置的第一高分子聚合材料件551和第二电极552组成，在该种结构的传感器中，第一电极541和第二电极552作为传感器的信号输出端。此种结构采用高分子聚合材料件与高分子聚合材料件相互感应，优点是输出电压信号相对更大，优选第一高分子聚合材料件和第二高分子聚合材料件选用不同的材料。

根据本发明的实施例，第一高分子聚合材料件和第二高分子聚合材料件材质分别可以为选自为聚酰亚胺、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、纤维素海绵、再生海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基，甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、甲醛苯酚、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、丙烯腈氯乙烯和聚乙烯丙二酚碳酸盐中的至少一种。

根据本发明的实施例，第一电极和第二电极材料分别可以为选自铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨、钒、铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金和钽合金中的至少一种。

下面参考图7和图2对传感器的工作状态进行描述。

如图7所示，传感器包括屏蔽壳体100、用于封闭屏蔽壳体100腔室下端开口的下盖板200、用于封闭屏蔽壳体100腔室上端开口的承压板300，连接承压板300和屏蔽壳体100的弹性回复件400，和位于腔室10中静电组件500(包括自上而下设置的第一绝缘件52、第一静电部54、第二静电部55和第二绝缘件53，其中，第一静电部和第二静电部均由电极和/或高分子聚合材料件组成)。此时，由于承压板未受外力，弹性回复件400(此处为挤压垫圈)没有形变而处于自然状态，间隙60的距离保持不变；当承压板受力时，使得弹性回复件400在承压板和屏蔽壳体的压力下发生形变，从而使得第一静电部和第二静电部之间的间隙60的距离发生变化，继而使得第一静电部和第二静电部之间的输出电压发生变化，然后采用静电压计或其他静电电压检测设备即可测得第一静电部和第二静电部之间的电压，即可反映出该传感器输出电压的变化，然后根据第一静电部和第二静电部间的间距X(t)与所测得电压V的函数关系式即可得到如式1所示关于X(t)的函数关系式，

X(t)＝KV  式1

其中，K为一固定系数

由此，进一步从承压板开始受力时计时，可以对式1函数关系式关于时间t微分得到速度函数v(t)关系式，对速度函数v(t)关系式关于时间t微分得到加速度函数a(t)关系式，由于挤压垫圈变形量与第一静电部和第二静电部间的间距X(t)相等，即可得到承压板所受外力F＝φ(X(t))的函数关系式。

具体的，以本发明的自供能传感器为例，通过步进电机滑台控制第一静电部和第二静电部之间的距离，并采用静电压计(KEITHLEY Model 6514 System Electromer)测定其开路电压。

实验步骤：将本发明的自供能传感器的两个静电部保持分离状态12小时即弹性回复件没有形变的状态，利用步进电机滑台紧贴该传感器中的第一静电部和第二静电部，使得第一静电部和第二静电部之间的距离每次减小0.1mm，期间利用静压电压计测得每一定点位移的电压值，得到的位移电压曲线图如图8所示。

在图8中，纵坐标数值代表静电电压计所测得的电压值，横坐标数值代表第一静电部和第二静电部之间距离变化量，由图可知，传感器的输出电压值同两静电部之间的距离变化量呈良好的线性关系，更优的，可以截取一段线性最好的曲线对应的两发电部间隙距离变化区间作为传感器的工作范围。

根据在学术期刊《能源与环境科学》发表的论文《Theoretical study of contact-modetriboelectric nanogenerators as an effective power source》(ENERGY&ENVIRONMENTALSCIENCE,2013；6(12):3576)中的记载及发明人的试验(如图8)可知，上述的输出电压值与第一摩擦发电部和第二摩擦发电部之间的间距存在一一对应的线性关系，得到相应的位移函数关系，实现了将位移变化转换为输出电压变化的过程，即位移传感器的功能，然后通过相应的函数计算，还可以得到加速度、速度、压力等函数，实现其他如加速度、压力传感器的功能。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (11)

1.一种自供能传感器，其特征在于，包括：

屏蔽壳体，所述屏蔽壳体内部限定出上下敞开的腔室；

下盖板，所述下盖板位于所述屏蔽壳体的下端且适于封闭所述腔室的下端开口；

承压板，所述承压板位于所述屏蔽壳体的上端且适于封闭所述腔室的上端开口；

弹性回复件，所述承压板与所述屏蔽壳体通过所述弹性回复件相连；

静电组件，所述静电组件由静电部以及分别位于所述静电部上表面和下表面的第一绝缘件和第二绝缘件组成，所述静电组件设置在所述腔室内，所述静电部包括自上至下相互分离设置的第一静电部和第二静电部，所述第一静电部通过所述第一绝缘件固定设置在所述承压板的下表面，所述第二静电部通过所述第二绝缘件固定设置在所述下盖板的上表面，所述第一静电部和第二静电部之间具有间隙，所述第一静电部和/或第二静电部具有静电荷，

当所述承压板受到外力作用时，所述弹性回复件产生形变，进而使所述承压板与所述屏蔽壳体之间产生相对位移，带动所述第一静电部和第二静电部之间距离发生变化，从而使所述静电组件的输出电压产生变化。

2.根据权利要求1所述的自供能传感器，其特征在于，所述第一绝缘件包括从上至下层叠的第一绝缘层和第一绝缘垫圈，所述第二绝缘件包括从上至下层叠的第二绝缘垫圈和第二绝缘层。

3.根据权利要求1所述的自供能传感器，其特征在于，所述弹性回复件为挤压垫圈，所述挤压垫圈设置在所述屏蔽壳体上端与所述承压板下表面之间。

4.根据权利要求1所述的自供能传感器，其特征在于，所述屏蔽壳体、下盖板及承压板由金属或含有金属和非金属的复合材料组成。

5.根据权利要求1-4任一项所述的自供能传感器，其特征在于，所述第一静电部由第一电极组成，所述第二静电部由第一高分子聚合材料件组成。

6.根据权利要求5所述的自供能传感器，其特征在于，所述第二静电部进一步包括第二电极，所述第二电极设置在所述第一高分子聚合材料件的下表面。

7.根据权利要求5所述的自供能传感器，其特征在于，所述第一静电部进一步包括第二高分子聚合材料件，所述第二高分子聚合材料件设置在所述第一电极的下表面。

8.根据权利要求5所述的自供能传感器，其特征在于，所述第一静电部进一步包括第二高分子聚合材料件，所述第二静电部进一步包括第二电极，所述第二高分子聚合材料件设置在所述第一电极的下表面，所述第二电极设置在所述第一高分子聚合材料件的下表面。

9.根据权利要求5-8任一项所述的自供能传感器，其特征在于，所述第一高分子聚合材料件和/或第二高分子聚合材料件上具有静电荷。

10.根据权利要求5或7所述的自供能传感器，其特征在于，所述第一电极及所述屏蔽壳体为所述自供能传感器的信号输出端。

11.根据权利要求6或8所述的自供能传感器，其特征在于，所述第一电极与所述第二电极为所述自供能传感器的信号输出端。