CN108918912A - 悬臂摩擦式自供能静电加速度传感器 - Google Patents

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Abstract

悬臂摩擦式自供能静电加速度传感器，其特征是，包括屏蔽外壳，屏蔽外壳中部设有横贯的隔板，将屏蔽外壳的内部空间分隔为左右两个腔室，隔板两侧是关于隔板对称的摩擦发电装置，能够随待测构件的振动将振动机械能转化为电能，并以电信号的形式输出。静止条件下，两种介电材料接触面积达到最大，产生摩擦电荷，振动条件下，悬臂产生随时间变化的挠度，两种介电材料的接触面积也不断发生变化，电极层经由外电路转移感应电荷，输出电信号。相比于现有的加速度传感器来说，接触式摩擦发电加速度传感器有着精度高，范围广，结构简单，抗干扰性好，环保节能和自驱动性等优点。

Description

悬臂摩擦式自供能静电加速度传感器
技术领域
本发明涉及一种基于摩擦发电技术的加速度传感器装置，尤其涉及用于一种悬臂摩擦式自供能静电加速度传感器。
背景技术
加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器，在城市基础设施建设和管理中有着广泛的应用。悬臂式自供能静电加速度传感器是将摩擦发电技术与系统惯性力原理良好的组合，在实际测量加速度时具有很好的应用性。目前常用的加速度传感器是电容式加速度传感器和电阻式加速度传感器。电容式加速度传感器存在输出阻抗高，负载能力差，易收到外界干扰影响产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，输出特性非线性，寄生电容影响大的缺点；电阻式加速度传感器存在面对剧烈的震动状况时，输出线性非常差，在测试中需要映入外界电路或者进行理论计算补偿才能准确测量的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种悬臂摩擦式自供能静电加速度传感器，能够用于加速度的检测，并且无需额外提供能源，能够自驱动工作，同时还具备精度高、范围广的特点。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：提供一种悬臂摩擦式自供能静电加速度传感器，包括屏蔽外壳，屏蔽外壳中部设有隔板，将屏蔽外壳的内部空间分隔为左右两个腔室，隔板两侧是关于隔板对称的摩擦发电装置，能够随待测构件的振动将振动机械能转化为电能，并以电信号的形式输出。
进一步地，摩擦发电装置包括一层涂覆在屏蔽外壳内底面的第二介电材料层，所述第二介电材料层为等腰三角形形状，以隔板左右对称；还包括两个分别布置于所述隔板两侧的悬臂，悬臂一端位于等腰三角形底边一侧，固定于屏蔽外壳，且与隔板相邻；悬臂另一端沿屏蔽外壳底面延伸至等腰三角形顶角以上位置，末端固定有一质量块，悬臂下表面涂设有第一介电材料层，第一介电材料层和悬臂之间设有一层第一电极层，第二介电材料层和屏蔽外壳底面之间设有一层第二电极层，第一介电材料层和第二介电材料层极性相反，静止状态下，第一介电材料层和第二介电材料层表面接触。
进一步地，质量块下表面与屏蔽外壳接触。
进一步地，静止条件下，两种介电材料接触面积达到最大，产生摩擦电荷；在加速状态下，悬臂发生弯曲，两种介电材料层之间发生摩擦，且摩擦面积逐渐变小，两个电极层之间的电势差随之变化。
进一步地，该加速度传感器电信号测量装置，电信号测量装置与第一电极层和第二电极层相连，电信号测量装置获得第一电极层和第二电极层之间的电势差信号，该电信号测量装置集成在屏蔽外壳上。
摩擦发电加速度传感器可以根据其力电转换特性，将环境荷载作用下所产生的机械能转化为电能，因此通过测量装置能够将加速度大小用电信号表示。悬臂式摩擦发电装置结构简单、易于加工制作、便于微型化和集成化，材料的能量采集和应用工作环境限制少、效率高、绿色环保，相关技术的开发利用将产生巨大的经济效益，为建设资源节约型社会提供助力，具有一定市场潜力和经济价值。
本发明的有益效果是：本发明将摩擦发电加速度传感器内置于屏蔽外壳，将环境动荷载引起的振动加速度转化为电信号表示，经过该装置中的信号处理和输出装置将数据输出。本发明无需使用外部电源，仅凭借装置本身就能产生电信号，是一种限制少、效率高、绿色环保的装置。相比于现有的加速度传感器来说，接触式摩擦发电加速度传感器有着精度高，范围广，结构简单，抗干扰性好，环保节能和自驱动性等优点。
附图说明
图1是悬臂摩擦式自供能静电加速度传感器构造图及局部剖视图；
图2是图1所示的加速度传感器受环境荷载作用的运动状态1；
图3是图1所示的加速度传感器受环境荷载作用的运动状态2。
图中标号：1-第二介电材料(分为1-1和1-2)；2-第一介电材料(分为2-1和2-2)；3-第二电极层(分为3-1和3-2)；4-第一电极层(分为4-1和4-2)；5-悬臂(分为5-1和5-2)；6-质量块(分为6-1和6-2)；7-隔板；8-屏蔽外壳。a(t)为在某时刻t，环境荷载作用下加速度传感器的加速度；m为质量块6的质量。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方案作进一步详细说明。
本实施例中，悬臂摩擦式静电自供能加速度传感器包括屏蔽外壳8，屏蔽外壳8中部设有横贯的隔板7，将屏蔽外壳8的内部空间分隔为左右两个腔室，隔板7两侧是关于隔板对称的摩擦发电装置，能够随待测构件的振动将振动机械能转化为电能，并以电信号的形式输出。
摩擦发电装置包括一层涂覆在屏蔽外壳内底面的第二介电材料层1，所述第二介电材料层1为等腰三角形形状，以隔板7左右对称；还包括两个分别布置于所述隔板两侧的悬臂5，悬臂5一端位于等腰三角形底边一侧，固定于屏蔽外壳，且与隔板相邻；悬臂5另一端沿屏蔽外壳底面延伸至等腰三角形顶角以上位置，末端固定有一质量块6，作为优选，质量块6下表面与屏蔽外壳光滑接触；悬臂5下表面涂设有第一介电材料层2，第一介电材料层2和悬臂5之间设有一层第一电极层4，第二介电材料层1和屏蔽外壳底面之间设有一层第二电极层3，第一介电材料层2和第二介电材料层1极性相反，静止状态下，第一介电材料层2和第二介电材料层1表面接触。静止条件下，两种介电材料接触面积达到最大，产生摩擦电荷；在加速状态下，悬臂发生弯曲，两种介电材料层之间发生摩擦，且摩擦面积逐渐变小，两个电极层之间的电势差随之变化。
该加速度传感器电信号测量装置，电信号测量装置与第一电极层和第二电极层相连，电信号测量装置获得第一电极层4和第二电极层3之间的电势差信号，该电信号测量装置集成在屏蔽外壳上。
本发明的悬臂式自供能静电加速度传感器实现加速度测量原理如下：
以图1所示初始状态为例，图2为加速度向右时的运动状态。初始状态下，第一介电材料2与第二介电材料1之间无相互作用力。当加速度传感器在环境荷载作用下，某一时刻t时，加速度为a(t)，其运动状态如图2所示，x为悬臂上任一点距悬臂固定端的距离，第一介电材料2随悬臂5产生变挠度y(t,x)，此时可以得到第一介电材料的挠度方程：
其中EI为第二基板抗弯刚度，m为质量块的质量，l为悬臂固定端到质量块质心的距离。
此时，t时刻时，由第二介电材料1宽度的线性变化关系可得，两种介电材料接触的面积为：
S(t)＝f(y(t,l)) (2)
f为两种介电材料的接触面积与悬臂端挠度的函数关系，该函数关系与第二介电材料宽度变化的线性关系有关。
当接触式摩擦发电装置工作时，y(t,x)从0到最大变化。任意t0时刻，两介电材料之间的接触面积由方程(1)(2)确定。当两种介电材料接触面积最大时(即y(t,x)＝0)，电极板充电，两个涂有介电材料的电极板的表面获得相反的静电荷，具有相等的电荷密度σ(接触摩擦产生的电荷密度)。并且当两种介电材料接触面积逐渐变小时，电荷经外加电路产生电流。当负载电阻给定为R时，由基尔霍夫定律得控制方程为：
其中，电荷量Q、感应电容C均与S(t)存在函数关系，该一阶微分方程的边界条件为Q(t＝0)＝Q(T＝0)＝0。
联立(1)(2)(3)三式，即可得到电压V(t)与加速度a(t)的关系V(t)＝V(a(t))，从而通过测量电路将加速度大小表达为电信号。
图3所示加速度向左的运动状态，原理与上述相同。

Claims (5)

1.悬臂摩擦式自供能静电加速度传感器，其特征是，包括屏蔽外壳，屏蔽外壳中部设有隔板，将屏蔽外壳的内部空间分隔为左右两个腔室，隔板两侧是关于隔板对称的摩擦发电装置，能够随待测构件的振动，将振动机械能转化为电能，并以电信号的形式输出，通过测试该电信号，即可获得加速度信息。
2.根据权利要求1所述的悬臂摩擦式自供能静电加速度传感器，其特征是，摩擦发电装置包括一层涂覆在屏蔽外壳内底面的第二介电材料层，所述第二介电材料层为等腰三角形形状，以隔板左右对称；还包括两个分别布置于所述隔板两侧的悬臂，悬臂一端固定于屏蔽外壳，固定端位于等腰三角形底边一侧，且与隔板相邻；悬臂另一端沿屏蔽外壳底面延伸至等腰三角形顶角以上位置，末端固定有一质量块，悬臂下表面涂设有第一介电材料层，第一介电材料层和悬臂之间设有一层第一电极层，第二介电材料层和屏蔽外壳底面之间设有一层第二电极层，第一介电材料层和第二介电材料层极性相反，静止状态下，第一介电材料层和第二介电材料层表面接触。
3.根据权利要求1所述的悬臂摩擦式自供能静电加速度传感器，其特征是，质量块下表面与屏蔽外壳接触。
4.根据权利要求1所述的悬臂摩擦式自供能静电加速度传感器，其特征是，静止条件下，两种介电材料接触面积达到最大，产生摩擦电荷；在加速状态下，悬臂发生弯曲，两种介电材料层之间发生摩擦，且摩擦面积逐渐变小，两个电极层之间的电势差随之变化。
5.根据权利要求1所述的悬臂摩擦式自供能静电加速度传感器，其特征是，还包括电信号测量装置，电信号测量装置与第一电极层和第二电极层相连，电信号测量装置获得第一电极层和第二电极层之间的电势差信号，该电信号测量装置集成在屏蔽外壳上。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114047353A (zh) * 2022-01-07 2022-02-15 浙江中自庆安新能源技术有限公司 一种自供电运动传感器的信号处理方法及系统
CN114636466A (zh) * 2022-03-14 2022-06-17 广东海洋大学 一种基于摩擦纳米发电的三维振动传感器
CN116952446A (zh) * 2023-05-15 2023-10-27 清华大学深圳国际研究生院 一种水下压力传感器及水下压力大小和变化速度测量方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107525948A (zh) * 2017-09-11 2017-12-29 浙江大学 接触式摩擦发电加速度传感器
CN107576810A (zh) * 2017-09-11 2018-01-12 浙江大学 摩擦式发电加速度传感器

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107525948A (zh) * 2017-09-11 2017-12-29 浙江大学 接触式摩擦发电加速度传感器
CN107576810A (zh) * 2017-09-11 2018-01-12 浙江大学 摩擦式发电加速度传感器

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHENGHAO XIANG: "《A self-powered acceleration sensor with flexible materials based on triboelectric effect》", 《NANO ENERGY》 *
贺江平: "《基于压电效应的减振技术和阻尼材料》", 《振动与冲击》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114047353A (zh) * 2022-01-07 2022-02-15 浙江中自庆安新能源技术有限公司 一种自供电运动传感器的信号处理方法及系统
CN114047353B (zh) * 2022-01-07 2022-05-17 浙江中自庆安新能源技术有限公司 一种自供电运动传感器的信号处理方法及系统
CN114636466A (zh) * 2022-03-14 2022-06-17 广东海洋大学 一种基于摩擦纳米发电的三维振动传感器
CN116952446A (zh) * 2023-05-15 2023-10-27 清华大学深圳国际研究生院 一种水下压力传感器及水下压力大小和变化速度测量方法
CN116952446B (zh) * 2023-05-15 2024-05-07 清华大学深圳国际研究生院 一种水下压力传感器及水下压力大小和变化速度测量方法

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