CN110726756A - 基于摩擦纳米发电机的仿生触须传感器 - Google Patents
基于摩擦纳米发电机的仿生触须传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于摩擦纳米发电机的仿生触须传感器，包括：固定装置，设置在柔性外壳的顶部且与柔性外壳相连，用于将柔性外壳固定在搭载装置上；柔性外壳，具有中空腔体结构，用于容纳发电单元；发电单元，包括金属电极、介电薄膜、垫片和外部支撑材料，外部支撑材料位于最外侧，金属电极附着在介质薄膜的表面，位于外部支撑材料与介质薄膜之间，垫片与金属电极分布在介质薄膜的两侧；导线，其一端与金属电极相连，另一端与信号采集器相连。本发明结构简单、牢固，可有效减少海水拍打的压力及海水腐蚀对装置输出性能的影响；将传感器阵列构成多传感器智能感知系统，可提高感知能力；可感知外界涡街的变化，实现对水下运动物体的定位追踪。
Description
技术领域
本发明涉及仿生传感器技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于摩擦纳米发电机的仿生触须传感器。
背景技术
随着海洋强国政策的提出，面向海洋领域的开发利用成为了我国发展的重中之重。水下传感器作为感知水下环境信息的重要装置，一直以来都是研究研发的重点关注对象，但是在恶劣环境下的感知能力仍没有实质性的突破。目前常用的水下传感器大都属于传统的压力、离子浓度、视觉、声呐等，面对水下恶劣环境效果较差。水下物体运动时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，即卡门涡街。对涡街的感知可以避免水下环境对传统感知功能的干扰作用，如何实现对运动物体涡街的感知成为近期的首要任务。
综上，有必要提供一种新型传感器，以解决上述问题。
发明内容
根据上述提出的常用水下传感器大都属于传统的压力、离子浓度、视觉、声呐等，面对水下恶劣环境效果较差，无法实现对水下运动物体涡街的灵敏感知的技术问题，而提供一种基于摩擦纳米发电机的仿生触须传感器。本发明主要利用两种材料互相摩擦产生摩擦电以及静电感应的原理，金属电极的材料与介电薄膜表面的材料的电极序存在差异，在外界涡街作用下，金属电极与介电薄膜之间相互摩擦，在金属电极层中产生感应电荷，从而有效抵御自身运动时产生的涡激振动，并对外界涡街变化产生灵敏的响应，通过感知涡流的变化实现对水下流场的感知。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于摩擦纳米发电机的仿生触须传感器，包括：
固定装置，设置在柔性外壳的顶部且与所述柔性外壳相连，用于将所述柔性外壳固定在搭载装置上；
柔性外壳，具有中空腔体结构，用于容纳发电单元；
发电单元，包括金属电极、介电薄膜、垫片和外部支撑材料，所述外部支撑材料位于最外侧，所述金属电极附着在所述介质薄膜的表面，位于所述外部支撑材料与所述介质薄膜之间，所述垫片与所述金属电极分布在所述介质薄膜的两侧；
所述金属电极包括第一金属电极和第二金属电极，所述介电薄膜包括第一介电薄膜和第二介电薄膜，所述外部支撑材料包括第一外部支撑材料和第二外部支撑材料，所述第一外部支撑材料、所述第一介电薄膜、所述第一金属电极、所述垫片、所述第二金属电极、所述第二介电薄膜和所述第二外部支撑材料从上到下依次设置；
导线，其一端与所述金属电极相连，另一端伸出柔性外壳外与静电高阻计相连，通过所述导线传输的数据保存至信号采集器。
进一步地，所述柔性外壳和所述固定装置均进行防腐处理。
进一步地，所述柔性外壳采用3D打印模具灌模制作，其材质为硅胶。
进一步地，所述发电单元的外部由硅胶密封材料封装以维持内部密封。
进一步地，所述介电薄膜的表面材料为绝缘体或者半导体材料。
进一步地，所述介电薄膜经由纳米处理具有微纳结构，以增强发电单元的输出性能。
进一步地，所述金属电极的材料为导电材料薄膜或单层导电材料。
进一步地，所述金属电极的外表面经由纳米处理具有微纳结构，用于增强发电单元的输出性能。
进一步地，利用摩擦起电和静电感应产生电流，当无外力作用时，所述金属电极与所述介电薄膜之间不会发生摩擦产生感应电荷，在外部涡街作的用下，所述触须传感器的仿生形状感应涡街有规律摆动，其内部的金属电极与介电薄膜之间发生摩擦，表面的微纳结构互相挤压，由于电极序的差异性与介电薄膜摩擦从而产生负电荷；当所述触须传感器恢复原状时，介电薄膜会在另一侧的金属电极上感应出正电荷，会在外部电路中产生电流。
进一步地，利用两种材料互相摩擦产生摩擦电以及静电感应的原理，金属电极的材料与介电薄膜表面的材料的电极序存在差异，这两种材料可以从绝缘材料、半导体材料中选择，介电薄膜表面材料为第一摩擦材料，第一摩擦材料可以为绝缘材料或者半导体材料。相应的，金属电极为导电材料薄膜，也可以为单层导电材料。金属电极材料为第二摩擦材料，第二摩擦材料的材料可以为导体材料。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的基于摩擦纳米发电机的仿生触须传感器，仿生触须结构可以有效抵御自身运动所产生的涡激振动，并对外界涡街变化产生灵敏的响应。相比传统传感器只能通过听觉或视觉进行感知的缺陷，本项目提出的仿生触觉传感器可以通过感知涡流的变化以实现对水下流场的感知，并且具有体积小、成本低的优势。在水下环境监测和水下作业机器人运动控制等方面具有重要应用价值。
2、本发明提供的基于摩擦纳米发电机的仿生触须传感器，采用柔性薄膜的发电单元，可以根据环境及发明需求灵活设计发电单元的结构功能。
3、本发明提供的基于摩擦纳米发电机的仿生触须传感器，对于复杂的海洋环境，可以通过将多个仿生触须传感器构成阵列以实现对复杂环境的有效感知。
4、本发明提供的基于摩擦纳米发电机的仿生触须传感器，结构简单、牢固，不仅可以有效的减少海水拍打的压力，而且可以减少海水腐蚀对装置输出性能的影响。
5、本发明提供的基于摩擦纳米发电机的仿生触须传感器，不仅可以高效的对水下流场变化进行感知，而且可以感知风速、流速等参数。
综上，应用本发明的技术方案能够解决现有技术中的常用水下传感器大都属于传统的压力、离子浓度、视觉、声呐等，面对水下恶劣环境效果较差，无法实现对水下运动物体涡街的灵敏感知的问题。
基于上述理由本发明可在摩擦纳米发电技术领域以及仿生技术领域等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中的基于摩擦纳米发电机的仿生触须传感器结构示意图。
图2为图1中发电单元的分解结构示意图。
图3为本发明基于摩擦纳米发电机的仿生触须传感器的工作原理图。
图4为本发明实施例1中的基于摩擦纳米发电机的仿生触须传感器感知系统的三维结构示意图。
图中：1、柔性外壳；2、发电单元；3、外部支撑材料；4、介电薄膜；5、金属电极；6、垫片；7、基于摩擦纳米发电机的仿生触须传感器；8、机器鱼；9、静电高阻计；10、导线；11、信号采集器；12、固定装置；13、搭载装置。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
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中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1-2所示，本发明提供了一种基于表现出优异输出性能的摩擦纳米发电机的仿生海豹触须传感器，可感应流体涡街变化并将其转化为电信号，包括：
固定装置12，设置在柔性外壳1的顶部且与所述柔性外壳1相连，用于将所述柔性外壳1固定在搭载装置13上；所述固定装置12进行防腐处理。
柔性外壳1，具有中空腔体结构，用于容纳发电单元2；所述柔性外壳1进行防腐处理；所述柔性外壳1采用3D打印模具灌模制作而成，其材质为硅胶。
发电单元2，包括金属电极5、介电薄膜4、垫片6和外部支撑材料3，所述外部支撑材料3位于最外侧，所述金属电极5附着在所述介质薄膜的表面，位于所述外部支撑材料3与所述介质薄膜之间，所述垫片6与所述金属电极5分布在所述介质薄膜的两侧；
具体地，所述发电单元2的外部由硅胶密封材料封装以维持内部密封；所述介电薄膜4的表面材料为绝缘体或者半导体材料，介电薄膜4经由纳米处理具有微纳结构，以增强发电单元2的输出性能；所述金属电极5的材料为导电材料薄膜或单层导电材料，金属电极5的外表面经由纳米处理具有微纳结构，用于增强发电单元2的输出性能。
所述金属电极5包括第一金属电极5和第二金属电极5，所述介电薄膜4包括第一介电薄膜4和第二介电薄膜4，所述外部支撑材料3包括第一外部支撑材料3和第二外部支撑材料3，所述第一外部支撑材料3、所述第一介电薄膜4、所述第一金属电极5、所述垫片6、所述第二金属电极5、所述第二介电薄膜4和所述第二外部支撑材料3从上到下依次设置。
导线10，其一端与所述金属电极5相连，另一端伸出柔性外壳1外与静电高阻计9相连，静电高阻计9通过导线10与信号采集器11相连，通过导线10传输的数据保存至信号采集器11。静电高阻计9的型号为Keithley 6514，信号采集器选用电脑。
利用摩擦起电和静电感应产生电流，当无外力作用时，所述金属电极5与所述介电薄膜4之间不会发生摩擦产生感应电荷，在外部涡街作的用下，所述触须传感器的仿生形状感应涡街有规律摆动，其内部的金属电极5与介电薄膜4之间发生摩擦，表面的微纳结构互相挤压，由于电极序的差异性与介电薄膜4摩擦从而产生负电荷；当所述触须传感器恢复原状时，介电薄膜4会在另一侧的金属电极5上感应出正电荷，会在外部电路中产生电流。
利用两种材料互相摩擦产生摩擦电以及静电感应的原理，金属电极5的材料与介电薄膜4表面的材料的电极序存在差异，这两种材料可以从绝缘材料、半导体材料中选择，介电薄膜4表面材料为第一摩擦材料，第一摩擦材料可以为绝缘材料或者半导体材料。相应的，金属电极5为导电材料薄膜，也可以为单层导电材料，例如铜膜，这里不做限定。金属电极5表面材料为第二摩擦材料，第二摩擦材料的材料可以为导体材料。
实施例1
一种基于摩擦纳米发电机的仿生触须传感器7，包括：上述的柔性外壳1、和发电单元2，柔性外壳1为高度10cm和宽度1cm的仿生波浪型触须结构，柔性外壳1内密封安装有1个发电单元2，柔性外壳1采用硅胶制作封装；发电单元2密封安装在柔性外壳11内且引出导线10同Keithley 6514静电高阻计9连接，由导线10输出信号。
如图2所示，所述发电单元2主要由外部支撑材料3、金属电极5、介电薄膜4和垫片6组成，本实施例中发电单元2直接封装在硅胶外壳内部。介电薄膜4和外部支撑材料3可以根据具体工况进行设计更换。在外界涡街作用下，金属电极5与介电薄膜4之间相互摩擦，在金属电极5层中产生感应电荷，这种结构可以抵御自身运动时产生的涡激振动，且可以灵敏感应外界涡街变化。所述金属电极5包括第一金属电极5和第二金属电极5，所述介电薄膜4包括第一介电薄膜4和第二介电薄膜4，所述外部支撑材料3包括第一外部支撑材料3和第二外部支撑材料3，所述第一外部支撑材料3、第一介电薄膜4、第一金属电极5、垫片6、第二金属电极5、第二介电薄膜4和第二外部支撑材料3从上到下依次按顺序设置，其中，所述第一外部支撑材料3位于上方最外侧，第一金属电极5附着在第一介质薄膜的上表面，且位于第一外部支撑材料3与第一介质薄膜之间，垫片6设置在第一介质薄膜的下侧，且位于第一介质薄膜和第二介质薄膜之间，第二介质薄膜的下表面附着有第一金属电极5，第一金属电极5的下方设置第二外部支撑材料3，第二外部支撑材料3位于下方的最外侧。
如图3所示，利用摩擦起电和静电感应产生电流，当无外力作用或自身运动时，介电薄膜4与金属电极5之间不会发生摩擦产生感应电荷，而在外部涡街激励作用下，如受到左侧涡街影响时，其内部的介电薄膜4与金属电极5也会相应向左发生移动，第一次接触摩擦后，介电薄膜4上会由于电极序的差异性从而产生负电荷；当由于惯性力与回复力的作用使触须恢复原位时，介电薄膜4会在其下的金属电极5上感应出正电荷，这时会在外部电路中产生电流并从左侧金属电极5流向右侧金属电极5，见图3；当受到右侧涡街影响时，由于惯性力与回复力的作用，介电薄膜4与金属电极5会向右发生移动，会在右侧的金属电极5中产生正电荷，这时会在外部电路中产生电流并从右侧金属电极5流向左侧金属电极5，从而得到相反方向的电流。
利用两种材料互相碰撞产生摩擦电以及静电感应的原理，介电薄膜4的材料与金属电极5表面的材料的电极序存在差异，介电薄膜4表面材料为第一摩擦材料，第一摩擦材料可以为绝缘材料或者半导体材料。金属电极5表面材料为第二摩擦材料，第二摩擦材料的材料为金属导电材料。
绝缘体材料可以为聚合物高分子材料，可以选择的聚合物高分子材料有很多，可以从下列材料中任意选择：胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酞胺尼龙66、聚酞胺尼龙11、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、棉及其织物、聚氨醋弹性体、苯乙烯-丙烯睛共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、硬橡胶、醋酸醋、人造纤维、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸醋、聚对苯二甲酸乙二醇醋、聚酞亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯和派瑞林。半导体材料可以为无机半导体或者有机半导体材料，可以为下列材料中的一种或几种：硅、锗、第Ⅲ和第Ⅴ族化合物、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物、以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体、非晶态的玻璃半导体、有机半导体，以及非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物半导体。
本实施例中，介电薄膜4的材料为FEP(Fluorinated ethylene propylene，氟化乙烯丙烯共聚物)薄膜，其外壳为硅胶材料，外部支撑材料3选用具有静电屏蔽功能的CPP/A-PET复合材料。
为了提高发电效率，在介电薄膜4的内表面的部分或者全部表面分布有微米或次微米量级的微结构。该微结构优选为纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由前述结构形成的阵列，特别是由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列，可以是通过光刻蚀、等离子刻蚀等方法制备的线状、立方体、或者四棱锥形状的阵列，阵列中每个这种单元的尺寸在纳米到微米量级，只要不影响介电薄膜4的机械强度，具体微结构的单元尺寸、形状不应该限制本发明的范围。
同样，在金属电极5的外表面也可以分布有上述的微米或次微米量级的微结构，进一步提高发电效率。
图4为本装置感应外界涡街的系统的三维示意图，该感知系统中仿生触须传感器通过固定装置12固定在搭载装置13上，仿生触须传感器通过导线10与静电高阻计9连接，静电高阻计9再通过导线10与信号采集器11连接，系统中设有用以产生尾涡的机器鱼8。触须结构的设计，可以减轻自身涡激振动的影响，并对外界涡街具有高效感知能力。本发明不仅可以有效的减少来流的影响，而且可以减少海水腐蚀对装置输出性能的影响。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种基于摩擦纳米发电机的仿生触须传感器，其特征在于，包括：
固定装置(12)，设置在柔性外壳(1)的顶部且与所述柔性外壳(1)相连，用于将所述柔性外壳(1)固定在搭载装置(13)上；
柔性外壳(1)，具有中空腔体结构，用于容纳发电单元(2)；
发电单元(2)，包括金属电极(5)、介电薄膜(4)、垫片(6)和外部支撑材料(3)，所述外部支撑材料(3)位于最外侧，所述金属电极(5)附着在所述介质薄膜的表面，位于所述外部支撑材料(3)与所述介质薄膜之间，所述垫片(6)与所述金属电极(5)分布在所述介质薄膜的两侧；
所述金属电极(5)包括第一金属电极(5)和第二金属电极(5)，所述介电薄膜(4)包括第一介电薄膜(4)和第二介电薄膜(4)，所述外部支撑材料(3)包括第一外部支撑材料(3)和第二外部支撑材料(3)，所述第一外部支撑材料(3)、所述第一介电薄膜(4)、所述第一金属电极(5)、所述垫片(6)、所述第二金属电极(5)、所述第二介电薄膜(4)和所述第二外部支撑材料(3)从上到下依次设置；
导线(10)，其一端与所述金属电极(5)相连，另一端伸出柔性外壳(1)外与静电高阻计(9)相连，通过所述导线(10)传输的数据保存至信号采集器(11)。
2.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的仿生触须传感器，其特征在于，所述柔性外壳(1)和所述固定装置(12)均进行防腐处理。
3.根据权利要求1或2所述的基于摩擦纳米发电机的仿生触须传感器，其特征在于，所述柔性外壳(1)采用3D打印模具灌模制作，其材质为硅胶。
4.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的仿生触须传感器，其特征在于，所述发电单元(2)的外部由硅胶密封材料封装以维持内部密封。
5.根据权利要求1或4所述的基于摩擦纳米发电机的仿生触须传感器，其特征在于，所述介电薄膜(4)的表面材料为绝缘体或者半导体材料。
6.根据权利要求5所述的基于摩擦纳米发电机的仿生触须传感器，其特征在于，所述介电薄膜(4)经由纳米处理具有微纳结构，以增强发电单元(2)的输出性能。
7.根据权利要求1或4所述的基于摩擦纳米发电机的仿生触须传感器，其特征在于，所述金属电极(5)的材料为导电材料薄膜或单层导电材料。
8.根据权利要求5所述的基于摩擦纳米发电机的仿生触须传感器，其特征在于，所述金属电极(5)的外表面经由纳米处理具有微纳结构，用于增强发电单元(2)的输出性能。
9.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的仿生触须传感器，其特征在于，利用摩擦起电和静电感应产生电流，当无外力作用时，所述金属电极(5)与所述介电薄膜(4)之间不会发生摩擦产生感应电荷，在外部涡街作的用下，所述触须传感器的仿生形状感应涡街有规律摆动，其内部的金属电极(5)与介电薄膜(4)之间发生摩擦，表面的微纳结构互相挤压，由于电极序的差异性与介电薄膜(4)摩擦从而产生负电荷；当所述触须传感器恢复原状时，介电薄膜(4)会在另一侧的金属电极(5)上感应出正电荷，会在外部电路中产生电流。
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