CN108534887A - 一种基于石墨烯薄膜位移传感的振动测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明针对振动信号难以传感的现状，提供一种振动信号传感的装置。所述基于石墨烯薄膜位移传感的振动测量装置，包括梁的静电激励振动装置、电容式探测器信号探测装置、振动信号传感装置三部分。悬臂梁在交流信号激励作用下产生受迫振动，振动时会产生声波，声波则会激励位于悬臂梁下方的电容式探测器，电容式探测器的圆形石墨烯薄膜在声波的影响下产生振动效应，与圆形背部电极之间的距离不断变化，在电源组直流电压的影响下，回路中的电流也不断变化，电流变化的频率和悬臂梁的振动频率相同，检测信号传感回路上电流的变化频率，得到了悬臂梁的振动频率。本发明可以广泛应用于机械振动、力学分析等领域的振动信号检测和传感工作。
Description
技术领域
本发明专利是一种振动信号测量装置，特别是一种用于振动信号的传感装置，属于振动信号检测领域。
背景技术
振动信号的传感广泛应用于机械振动研究、汽车系统、传感器等领域中。在振动信号的传感中，如何消除外部因素对信号的影响是决定信号精度的主要因素。对于一些振动信号的传感方法，在传感信号时受到一些外部因素如噪声或其他振动的影响等，使得振动信号的传感和检测有较大的误差。为了实现更高的信号传感灵敏度，需要采用影响更小的测量方式，然而如何降低外部因素的影响，成为制约振动信号传感精度提高的难题之一。石墨烯薄膜具有超薄、强度大的优点，具有优异的导电性和电阻随长度变化的特性。在振动信号检测方面，振动可以产生声波，石墨烯薄膜电容式检测器可以检测到声波信号的变化，通过检测声波信号，实现振动信号的测量。
本发明可以广泛应用于机械振动、力学分析等领域的振动信号检测和传感工作。
发明内容
本发明针对振动信号难以传感的现状，提供一种振动信号传感的装置。
本发明专利解决其技术问题所采用的方案是：所述基于石墨烯薄膜位移传感的振动测量装置，包括梁的静电激励振动装置、电容式探测器信号探测装置、振动信号传感装置三部分；所述梁的静电激励振动装置，其特征在于：所述梁的静电激励振动装置由交流信号源、静电驱动极板、底板、悬臂梁、侧板、驱动开关和导线组成。所述静电驱动极板固定在底板上，位于悬臂梁正上方，长度略短于悬臂梁；所述悬臂梁固定在侧板上，左端固定右端自由，悬臂梁上表面镀一层金金属层，金金属层的左端通过导线连接交流信号源的左端，交流信号源的右端通过导线连接驱动开关的左端，驱动开关的右端通过导线连接静电驱动极板的右端；所述声波由悬臂梁振动产生，激励电容式探测器的圆形石墨烯薄膜振动。
所述电容式探测器信号探测装置由圆形石墨烯薄膜、圆形背部电极、衬底、支撑环块和导线组成。所述衬底位于电容式探测器的下部；所述圆形背部电极固结于衬底上部，圆形背部电极的直径与衬底相同；所述支撑环块固结圆形背部电极，为绝缘材料；所述圆形石墨烯薄膜置于支撑环块之上，与支撑环块固结，圆形石墨烯薄膜的直径与圆形背部电极相同；所述圆形石墨烯薄膜的右端连出一根导线作为b端；所述圆形背部电极的右端连出一根导线作为a端。
所述振动信号传感装置由电源组、信号取样电阻、信号传感器、开关和导线组成。所述电源组负极通过导线连接开关右端，开关左端通过导线连接电容式探测器的b端；所述电源组正极通过导线连接信号取样电阻的上端，信号取样电阻的下端通过导线连接电容式探测器的a端；所述信号传感器与信号取样电阻并联。
悬臂梁在交流信号激励作用下产生受迫振动；振动时会产生声波，声波则会激励位于悬臂梁下方的电容式探测器，电容式探测器的圆形石墨烯薄膜在声波的影响下产生振动效应，与圆形背部电极之间的距离不断变化，在电源组直流电压的影响下，回路中的电流也不断变化，电流变化的频率和悬臂梁的振动频率相同。检测信号传感回路上电流的变化频率，得到了悬臂梁的振动频率。
回路中的电流可以表示为其中，ωa是声波的角频率，Vbias是电源组的直流偏置电压，C是电容式探测器的电容值，d0是圆形石墨烯薄膜与圆形背部电极的间距，A为振动幅值，t为时间。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.静电驱动方法是一种无接触驱动方法，测量干扰因素少，测量灵敏度高。
2.圆形石墨烯薄膜超薄、强度超大，对测量结果的影响小，具有优异的导电性。
附图说明
图1圆形石墨烯薄膜位移传感振动测量装置图；
图2电容式探测器结构图；
图中，1、悬臂梁 2、开关 3、电源组 4、信号传感器 5、信号取样电阻 6、电容式探测器 7、声波 8、侧板 9、金金属层 10、静电驱动极板 11、交流信号源 12、驱动开关 13、底板 14、支撑环块 15、衬底 16、圆形背部电极 17、圆形石墨烯薄膜
具体实施方式
以下结合附图做作进一步详述：
本实施例的主体结构包括梁的静电激励振动装置、电容式探测器信号探测装置、振动信号传感装置三部分。所述梁的静电激励振动装置，其特征在于：所述梁的静电激励振动装置由交流信号源11、静电驱动极板10、底板13、悬臂梁1、侧板8、驱动开关12和导线组成。所述静电驱动极板10固定在底板13上，位于悬臂梁1正上方，长度略短于悬臂梁1；所述悬臂梁1固定在侧板8上，左端固定右端自由，悬臂梁1上表面镀一层金金属层9，金金属层9的左端通过导线连接交流信号源11的左端，交流信号源11的右端通过导线连接驱动开关12的左端，驱动开关12的右端通过导线连接静电驱动极板10的右端；所述声波7由悬臂梁1振动产生，激励电容式探测器6的圆形石墨烯薄膜17振动。
所述电容式探测器信号探测装置由圆形石墨烯薄膜17、圆形背部电极16、衬底15、支撑环块14和导线组成。所述衬底15位于电容式探测器6的下部；所述圆形背部电极16固结于衬底15上部，圆形背部电极16的直径与衬底15相同；所述支撑环块14固结圆形背部电极16，为绝缘材料；所述圆形石墨烯薄膜17置于支撑环块14之上，与支撑环块14固结，圆形石墨烯薄膜17的直径与圆形背部电极16相同；所述圆形石墨烯薄膜17的右端连出一根导线作为b端；所述圆形背部电极16的右端连出一根导线作为a端。
所述振动信号传感装置由电源组3、信号取样电阻5、信号传感器4、开关2和导线组成。所述电源组3负极通过导线连接开关右端，开关左端通过导线连接电容式探测器6的b端；所述电源组3正极通过导线连接信号取样电阻5的上端，信号取样电阻5的下端通过导线连接电容式探测器6的a端；所述信号传感器4与信号取样电阻5并联。
悬臂梁1在交流信号激励作用下产生受迫振动；振动时会产生声波7，声波7激励位于悬臂梁1下方的电容式探测器6，电容式探测器6的圆形石墨烯薄膜17在声波7的影响下产生振动效应，与圆形背部电极16之间的距离不断变化，在电源组3直流电压的影响下，回路中的电流也不断变化，电流变化的频率和悬臂梁1的振动频率相同。检测信号传感回路上电流的变化频率，得到了悬臂梁1的振动频率。
回路中的电流可以表示为其中，ωa是声波7的角频率，Vbias是电源组的直流偏置电压，C是电容式探测器6的电容值，d0是圆形石墨烯薄膜17与圆形背部电极的间距，A为振动幅值，t为时间。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进，均应包含在本发明所述的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于石墨烯薄膜位移传感的振动测量装置，包括梁的静电激励振动装置、电容式探测器信号探测装置、振动信号传感装置三部分；所述梁的静电激励振动装置，其特征在于：所述梁的静电激励振动装置由交流信号源(11)、静电驱动极板(10)、底板(13)、悬臂梁(1)、侧板(8)、驱动开关(12)和导线组成；所述静电驱动极板(10)固定在底板(13)上，位于悬臂梁(1)正上方，长度略短于悬臂梁(1)；所述悬臂梁(1)固定在侧板(8)上，左端固定右端自由，悬臂梁(1)上表面镀一层金金属层(9)，金金属层(9)的左端通过导线连接交流信号源(11)的左端，交流信号源(11)的右端通过导线连接驱动开关(12)的左端，驱动开关(12)的右端通过导线连接静电驱动极板(10)的右端；所述声波(7)由悬臂梁(1)振动产生，激励电容式探测器(6)的圆形石墨烯薄膜(17)振动；
所述电容式探测器信号探测装置由圆形石墨烯薄膜(17)、圆形背部电极(16)、衬底(15)、支撑环块(14)和导线组成；所述衬底(15)位于电容式探测器(6)的下部；所述圆形背部电极(16)固结于衬底(15)上部，圆形背部电极(16)的直径与衬底(15)相同；所述支撑环块(14)固结圆形背部电极(16)，为绝缘材料；所述圆形石墨烯薄膜(17)置于支撑环块(14)之上，与支撑环块(14)固结，圆形石墨烯薄膜(17)的直径与圆形背部电极(16)相同；所述圆形石墨烯薄膜(17)的右端连出一根导线作为b端；所述圆形背部电极(16)的右端连出一根导线作为a端；
所述振动信号传感装置由电源组(3)、信号取样电阻(5)、信号传感器(4)、开关(2)和导线组成；所述电源组(3)负极通过导线连接开关右端，开关左端通过导线连接电容式探测器(6)的b端；所述电源组(3)正极通过导线连接信号取样电阻(5)的上端，信号取样电阻(5)的下端通过导线连接电容式探测器(6)的a端；所述信号传感器(4)与信号取样电阻(5)并联；
悬臂梁(1)在交流信号激励作用下产生受迫振动；振动时会产生声波(7)，声波(7)激励位于悬臂梁(1)下方的电容式探测器(6)，电容式探测器(6)的圆形石墨烯薄膜(17)在声波(7)的影响下产生振动效应，与圆形背部电极(16)之间的距离不断变化，在电源组(3)直流电压的影响下，回路中的电流也不断变化，电流变化的频率和悬臂梁(1)的振动频率相同；检测信号传感回路上电流的变化频率，得到了悬臂梁(1)的振动频率；
回路中的电流可以表示为其中，ωa是声波(7)的角频率，Vbias是电源组的直流偏置电压，C是电容式探测器(6)的电容值，d0是圆形石墨烯薄膜(17)与圆形背部电极的间距，A为振动幅值，t为时间。
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