CN110299248A - 一种具有双轴冲击传感的超级电容器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于超级电容器制备技术领域的一种具有双轴冲击传感的超级电容器。该超级电容器采用特殊中间电极构成两个互相垂直的串联超级电容器，再通过植入压电薄膜使得电容器具备对两轴向上的冲击传感器的能力，从而能对平面上任意方向的冲击进行探测。外界的冲击能够直接反映在三个电极之间的电压上，有效增大了电容器对外界冲击的敏感性，因此可以用于检测外界平面上的任一冲击；有效提升了同类传感型超级电容器的测量方向以及输出响应，大大提升了传感器超级电容器其实际应用能力。本发明既可以用作普通的能源器件，还能作为传感器对平面维度上的任意冲击信号进行采集，尤其适合应用于车辆碰撞检测。
Description
技术领域
本发明属于超级电容器制备技术领域，特别涉及一种具有双轴冲击传感的超级电容器。
背景技术
在工业社会里，冲击传感被广泛应用于如地震探测、振动检测、车辆碰撞检测等领域中。传统的冲击传感器分为按敏感自由度可以分为单轴、双轴和三轴。单轴的可以对单个方向上发生的冲击进行感知，但是对于其他两个垂直方向上的冲击不具备感知能力，因而在一定方面限制了其应用。
此外，常见的冲击传感器通常为机械惯性式传感器，通常需要额外配备电源为器件自身或者后续处理电路进行供电。而电化学超级电容器是个具有巨大潜力的储能器件，因为其优异的低温性能和功率表现，常被作为二级能源器件参与供电。随着材料领域的发展，电化学器件具备改造成各式各样传感器的能力，同时此类器件还往往能够满足自供电的使用需求，具备极佳的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有双轴冲击传感的超级电容器，其特征在于，所述超级电容器采用正极1、中间电极2和负极3构成两个共用中间电极的串联超级电容器，正极1与中间电极2、中间电极2与负极3之间植入VDF-TrFE压电薄膜4，两部分的VDF-TrFE压电薄膜4的排布方向互相垂直。
所述超级电容器正极1、中间电极2和负极3均采用碳纳米管、橡胶和导电剂混合配制、烧结成高弹性硬质碳电极；中间电极2采用梳齿形结构，一部分为梳齿形结构，另一部分为平板形结构，正极1为梳齿性结构、负极3为平板形结构。
所述超级电容器正极1与中间电极2的梳齿交互式安装，相邻两个齿板之间植入一片或者多片VDF-TrFE压电薄膜4，VDF-TrFE压电薄膜的两面镀有银或金的金属膜7，朝向正极梳齿的面为正极面，朝向中间电极梳齿的为负极面；正极1与中间电极2两个电极之间由点胶6实现隔离，防止短路。
所述负极3与中间电极2平板部分采用叠层累加的方式堆叠起来，VDF-TrFE压电薄膜4放置于极板之间的空隙中，VDF-TrFE压电薄膜的正极面朝向正极平板，负极面朝向负极3；负极3与中间电极2两个电极之间由点胶6实现隔离，防止短路。
所述超级电容器先采用硬质固封胶将正极1、中间电极2和负极3三个电极、压电薄膜、集流体装配之后进行第一次固封，风干后注入电解液封口，分别从三个电极各引出一条芯线，最后采用弹性固封胶将电容器封装在弹性外壳内。
所述基于双轴冲击传感超级电容器的冲击加速度大小和方向的检测判定包括：
1）利用两个电化学工作站分别连接正极1、中间电极2和负极3三个电极，采用计时电位法在不同放电流的条件下，分别对传感器施加x轴和y轴的标准冲击，记录传感超级电容器的正极1和中间电极2、中间电极2和负极3之间的电压响应，并进行标定，确定x轴和y轴的灵敏度。
2）将超级电容器充满电，在相同电阻条件下进行放电；当收到平面冲击时，利用采集的x轴和y轴两路信号输出，根据标定表取值确定两轴加速度大小，最后采用向量叠加的方式计算得到平面冲击的大小和方向；因此，所述双轴冲击传感超级电容器既可以用作普通的能源器件，还能作为传感器对平面维度上的任意冲击信号进行采集，尤其适合应用于车辆碰撞检测。
本发明的有益效果是本发明所述超级电容器采用特殊中间电极构成两个互相垂直的串联超级电容器，再通过植入压电薄膜，得到双轴冲击传感超级电容器既，使其具备对两轴向上的冲击传感器的能力，从而能对平面上任意方向的冲击进行探测。外界的冲击能够直接反映在三个电极之间的电压上，可以测量平面上任一冲击的大小和方向，实现了传感器与储能器件一体化内集成，能够有效减小体积，可以解决以往冲击传感器需要额外电源供电的问题，因此双轴冲击传感超级电容器既可以用作普通的能源器件，还能作为传感器对平面维度上的任意冲击信号进行采集，拓展了超级电容器的应用范围。
附图说明
图1为双轴冲击传感超级电容器内部结构示意图。
图2为双轴冲击传感超级电容器的外界冲击检测电路。
具体实施方式
本发明提供一种具有双轴冲击传感的超级电容器，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述：
如图1所示，所述超级电容器采用正极1、中间电极2和负极3构成两个共用中间电极的串联超级电容器，正极1与中间电极2、中间电极2与负极3之间植入VDF-TrFE压电薄膜4，两部分的VDF-TrFE压电薄膜4的排布方向互相垂直。
其中，超级电容器正极1与中间电极2的梳齿交互式安装，相邻两个齿板之间植入一片或者多片VDF-TrFE压电薄膜4，VDF-TrFE压电薄膜的两面镀有银或金的金属膜7，朝向正极梳齿的面为正极面，朝向中间电极梳齿的为负极面；正极1与中间电极2两个电极之间由点胶6实现隔离，防止短路。负极3与中间电极2平板部分采用叠层累加的方式堆叠起来，VDF-TrFE压电薄膜4放置于极板之间的空隙中，VDF-TrFE压电薄膜的正极面朝向正极平板，负极面朝向负极3；负极3与中间电极2两个电极之间由点胶6实现隔离，防止短路。
所述超级电容器先用采用硬质固封胶将正极1、中间电极2和负极3三个电极、压电薄膜、集流体装配之后进行第一次固封，风干后注入电解液封口，分别从三个电极各引出一条芯线，最后采用弹性固封胶将电容器封装在弹性外壳内，先采用硬质固封胶将正极1、中间电极2和负极3三个电极、压电薄膜、集流体装配之后进行第一次固封，风干后注入电解液封口，分别从三个电极各引出一条芯线，最后采用弹性固封胶将电容器封装在弹性外壳内。
将上述电容器按照图2的测试方法连接，将器件置于标准冲击测试台上，采用两台电化学工作站连接电容器三个电极，分别在不同放电流的条件下进行充放电。将电容器充电至5V后，断开开关K1。等待一会儿后闭合K2，同时对电容器施加平面内任一方向的过载冲击。在外界过载冲击的作用瞬间，电容器的正极-中间电极以及中间电极-负极输出电压在瞬间将会所示产生明显的电压升。将该电压升除以标定的灵敏度可以得到具体的冲击加速度的大小，对这两个加速度大小进行向量加，即可得到实际的加速度大小和方向。
在放电时分别对x轴和y轴施加一系列的冲击，测算电极之间的电压响应。根据测试数据结算出器件1的x轴和y轴灵敏度分别为：0.011mV/g和0.006mV/g。
本发明实现了传感器与储能器件一体化内集成，可以解决以往冲击传感器需要额外电源供电的问题，能够有效减小体积，有利于复杂系统集成化发展，拓展了超级电容器的应用范围。
Claims (6)
1.一种具有双轴冲击传感的超级电容器，其特征在于，所述超级电容器采用正极（1）、中间电极（2）和负极（3）构成两个共用中间电极的串联超级电容器，正极（1）与中间电极（2）、中间电极（2）与负极（3）之间植入VDF-TrFE压电薄膜（4），两部分的VDF-TrFE压电薄膜（4）的排布方向互相垂直。
2.根据权利要求1所述的一种具有双轴冲击传感的超级电容器，其特征在于，超级电容器正极（1）、中间电极（2）和负极（3）均采用碳纳米管、橡胶和导电剂混合配制、烧结成高弹性硬质碳电极；中间电极（2）采用梳齿形结构，一部分为梳齿形结构，另一部分为平板形结构，正极（1）为梳齿性结构、负极（3）为平板形结构。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有双轴冲击传感的超级电容器，其特征在于，所述超级电容器正极（1）与中间电极（2）的梳齿交互式安装，相邻两个齿板之间植入一片或者多片VDF-TrFE压电薄膜（4），VDF-TrFE压电薄膜的两面镀有银或金的金属膜（7），朝向正极梳齿的面为正极面，朝向中间电极梳齿的为负极面；正极（1）与中间电极（2）两个电极之间由点胶（6）实现隔离，防止短路。
4.根据权利要求1或2所述的一种具有双轴冲击传感的超级电容器，其特征在于，负极（3）与中间电极（2）平板部分采用叠层累加的方式堆叠起来，VDF-TrFE压电薄膜（4）放置于极板之间的空隙中，VDF-TrFE压电薄膜的正极面朝向正极平板，负极面朝向负极（3）；负极（3）与中间电极（2）两个电极之间由点胶（6）实现隔离，防止短路。
5.根据权利要求1所述的一种具有双轴冲击传感的超级电容器，其特征在于，所述超级电容器先用采用硬质固封胶将正极（1）、中间电极（2）和负极（3）三个电极、压电薄膜、集流体装配之后进行第一次固封，风干后注入电解液封口，分别从三个电极各引出一条芯线，最后采用弹性固封胶将电容器封装在弹性外壳内。
6.根据权利要求1所述的一种具有双轴冲击传感的超级电容器，其特征在于，基于双轴冲击传感超级电容器的冲击加速度大小和方向的检测判定包括：
1）利用两个电化学工作站分别连接三个电极，采用计时电位法在不同放电流的条件下，分别对传感器施加x轴和y轴的标准冲击，记录传感超级电容器的正极（1）和中间电极（2）、中间电极（2）和负极（3）之间的电压响应，并进行标定，确定x轴和y轴的灵敏度；
2）将超级电容器充满电，在相同电阻条件下进行放电；当收到平面冲击时，利用采集的x轴和y轴两路信号输出，根据标定表取值确定两轴加速度大小，最后采用向量叠加的方式计算得到平面冲击的大小和方向；因此，所述双轴冲击传感超级电容器既可以用作普通的能源器件，还能作为传感器对平面维度上的任意冲击信号进行采集，尤其适合应用于车辆碰撞检测。
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