CN108444445B - 一种基于水下气泡运动的自供能倾角传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于摩擦起电系统技术领域，具体涉及一种基于水下气泡运动的自供能振动传感器。包括导电元件、圆管摩擦层，所述导电元件为两个，通过线路相连；导电元件的下表面缠绕在圆管摩擦层外一圈，圆管摩擦层内充满水并具有气泡。本发明基于水下气泡运动自供能振动传感器通过气泡振动来产生电信号，可用于对振动能的收集和振动角度传感。

Description

一种基于水下气泡运动的自供能倾角传感器
技术领域
本发明属于摩擦起电系统技术领域，具体涉及一种基于水下气泡运动的自供能倾角传感器。
背景技术
2012年佐治亚理工学院的王中林教授的团队利用摩擦起电和静电感应的耦合作用发明了能将机械能转化为电能的摩擦纳米发电机(TENG)。在发电机的能量收集过程中，两种摩擦电极性不同的材料相接触后在表面生成摩擦电荷，分离时会产生电势差从而在外界电路上形成了电流输出。这种新型的发电机可以用于收集各种形式的机械能量，比如人体运动、机械振动、旋转、风能、声波能、雨滴和海浪等。而且固-液摩擦纳米发电机仅基于水面与器件直接的静电摩擦作用而发电，不需要额外的传送装置和部件来收集水波动能，故水能摩擦纳米发电机具有非常广阔应用前景。
2015年，韩国科学技术院Seung-Bae Jeon论述了基于内部流体动力学振荡(Hy-TENG)采集环境机械能的TENG。其中，探究了不同频率、振幅时的电荷输出。2017年我们阐述了一种基于U型管摩擦纳米发电机(U-TENG)，U-TENG可以用于自供能位移和压力传感器。2016年，王中林课题组论述了一种基于水下气泡运动的自供能摩擦电微流体传感器(TMS)，TMS可以用作气体流速自供能传感。然而，目前基于水下气泡运动的自供能倾角传感器国内外还没有报道。倾角传感器又称作倾斜仪、测斜仪、水平仪、倾角仪，经常用于检测系统的水平角度的变化，水平仪从过去简单的水泡水平仪到现在的电子水平仪是自动化和电子测量技术发展的结果。作为一种检测工具，它已成为桥梁架设、铁路铺设、土木工程、石油钻井、航空航海、工业自动化、智能平台、机械加工等领域不可缺少的重要测量工具。从工作原理上分倾角传感器可以分为：固体摆式、液体摆式和气体摆式，现在倾角传感器都需要外界能源的供给。因此本发明立足于水下气泡运动，提供了一种基于固液摩擦电的自供能传感器。
发明内容
本发明解决的技术问题是在高度发展的现代工业中，现代测试技术向数字化、信息化方向发展已成必然发展趋势，而测试系统的最前端是传感器，它是整个测试系统的灵魂。然而目前振动传感器都需要外界能量的供给。
根据双电子层理论，水与固体表面摩擦(或接触)时会有摩擦电荷产生。当水中气泡运动时，会破坏液固双电子层，固体表面的摩擦电荷会在背面电极上感应相反的电荷。在本发明中，线性马达用来驱使TENG中气泡来回振动。所以，电荷的转移发生在气泡与发电机作用的部分。一旦气泡在TENG中来回振动，固体表面的摩擦电荷将会在背面电极上周期感应相反的电荷，从而将振动的机械能转换为摩擦电能。如背景技术中所述，根据固-液界面摩擦起电现象可以研制水能摩擦纳米发电机，大多基于液体的振动，作为自供能倾角传感器。但由于一些实际的工况是气泡运动(如水平仪)，因此本发明的目的是提供一种基于水下气泡运动的自供能倾角传感器。
为实现上述目的，本发明提供一种基于水下气泡运动的自供能倾角传感器，基于水下气泡运动自供能倾角传感器通过气泡振动来产生电信号，可以用于各种测量角度的运用。例如，数控机床、船舶航行姿态测量、大坝监测、挖掘机械等。
具体提供以下的技术方案：一种基于水下气泡运动的自供能倾角传感器，包括导电元件、圆管摩擦层，所述导电元件为两个，通过线路相连；导电元件的下表面缠绕在圆管摩擦层外一圈，圆管摩擦层内充满水并具有气泡。
进一步的，所述导电元件由金属、石墨、导电氧化物或导电高分子中的一种或一种以上材料制成。
进一步的，所述导电元件是由金属铜材料制成的导电胶带。
进一步的，所述圆管摩擦层由绝缘材料制成，为疏水性电负性聚合物。例如但不限于酰亚胺、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯、聚三氟乙烯等。
进一步的，所述基于水下气泡运动的自供能倾角传感器为条式或圆式。
一种上述基于水下气泡运动的自供能倾角传感器的应用，利用器件放置方式和运动状态导致的水中气泡的运动，使双电子层分开，使导电元件产生感应电荷，进而造成外电路电子的转移，产生输出信号，用于振动能的收集和振动传感。
本发明的有益效果如下：
(1)能够利用气泡运动将振动的机械能转换为摩擦电能，是在基于液体的振动作为自供能倾角传感器基础上的又一创新。
(2)可以产生输出电信号，用于振动能的收集和振动传感。
(3)制备方法简单，材料易获得，便于实施。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的电荷传输示意图；
图3是本发明的立体结构示意图；
图中，导电元件1、圆管摩擦层3、水31、气泡32。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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作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。
实施例1：
一种基于水下气泡运动的自供能倾角传感器，包括导电元件1、圆管摩擦层3，所述导电元件1为两个，通过线路相连；导电元件1的下表面缠绕在圆管摩擦层3外一圈，圆管摩擦层3内充满水31并具有气泡32。
所述导电元件是由金属铜材料制成的导电胶带。
所述圆管摩擦层为FEP圆管。
所述基于水下气泡运动的自供能倾角传感器为条式。
一种上述基于水下气泡运动的自供能倾角传感器的应用，利用器件放置方式和运动状态导致的水中气泡的运动，使双电子层分开，使导电元件产生感应电荷，进而造成外电路电子的转移，产生输出信号，用于振动能的收集和振动传感。
实施例2：
一种基于水下气泡运动的自供能倾角传感器，包括导电元件1、圆管摩擦层3，所述导电元件1为两个，通过线路相连；导电元件1的下表面缠绕在圆管摩擦层3外一圈，圆管摩擦层3内充满水31并具有气泡32。
所述导电元件是由石墨材料制成的导电胶带。
所述圆管摩擦层由绝缘材料制成，为疏水性电负性聚合物，如酰亚胺。
所述基于水下气泡运动的自供能倾角传感器为圆式。
一种上述基于水下气泡运动的自供能倾角传感器的应用，利用器件放置方式和运动状态导致的水中气泡的运动，使双电子层分开，使导电元件产生感应电荷，进而造成外电路电子的转移，产生输出信号，用于振动能的收集和振动传感。
实施例3：
一种基于水下气泡运动的自供能倾角传感器，包括导电元件1、圆管摩擦层3，所述导电元件1为两个，通过线路相连；导电元件1的下表面缠绕在圆管摩擦层3外一圈，圆管摩擦层3内充满水31并具有气泡32。
所述导电元件是由导电氧化物材料制成的导电胶带。
所述圆管摩擦层为FEP圆管。
所述基于水下气泡运动的自供能倾角传感器为条式。
一种上述基于水下气泡运动的自供能倾角传感器的应用，利用器件放置方式和运动状态导致的水中气泡的运动，使双电子层分开，使导电元件产生感应电荷，进而造成外电路电子的转移，产生输出信号，用于振动能的收集和振动传感。
实施例4：
一种基于水下气泡运动的自供能倾角传感器，包括导电元件1、圆管摩擦层3，所述导电元件1为两个，通过线路相连；导电元件1的下表面缠绕在圆管摩擦层3外一圈，圆管摩擦层3内充满水31并具有气泡32。
所述导电元件是由导电高分子铜材料制成的导电胶带。
所述圆管摩擦层为FEP圆管。
所述基于水下气泡运动的自供能倾角传感器为条式。
一种上述基于水下气泡运动的自供能倾角传感器的应用，利用器件放置方式和运动状态导致的水中气泡的运动，使双电子层分开，使导电元件产生感应电荷，进而造成外电路电子的转移，产生输出信号，用于振动能的收集和振动传感，可以用于各种测量角度的运用。例如，数控机床、船舶航行姿态测量、大坝监测、挖掘机械等。

Claims (7)

1.一种基于水下气泡运动的自供能倾角传感器，其特征在于：包括导电元件、圆管摩擦层，所述导电元件为两个，通过线路相连；导电元件的下表面缠绕在圆管摩擦层外一圈，圆管摩擦层内充满水并具有气泡。
2.如权利要求1所述的基于水下气泡运动的自供能倾角传感器，其特征在于：所述导电元件由金属、石墨、导电氧化物或导电高分子中的一种或一种以上材料制成。
3.如权利要求2所述的基于水下气泡运动的自供能倾角传感器，其特征在于：所述导电元件是由金属铜材料制成的导电胶带。
4.如权利要求1所述的基于水下气泡运动的自供能倾角传感器，其特征在于：所述圆管摩擦层由绝缘材料制成，为疏水性电负性聚合物。
5.如权利要求1所述的基于水下气泡运动的自供能倾角传感器，其特征在于：所述圆管摩擦层为FEP圆管。
6.如权利要求1所述的基于水下气泡运动的自供能倾角传感器，其特征在于：所述基于水下气泡运动的自供能倾角传感器为条式或圆式。
7.一种权利要求1所述的基于水下气泡运动的自供能倾角传感器的应用，其特征在于：利用器件放置方式和运动状态导致的水中气泡的运动，使双电子层分开，使导电元件产生感应电荷，进而造成外电路电子的转移，产生输出信号，用于振动能的收集和振动角度传感，用于测量角度。
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