CN110824195A - 一种基于石墨烯双稳态物理转换的加速度传感器 - Google Patents

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Abstract

一种基于石墨烯双稳态物理转换的加速度传感器，包括石墨烯元件（6），阻尼基底（4），电路和信号灯（5）。所述阻尼基座上均布有单原子层石墨烯元件构成的点阵石墨烯组件；所述阻尼基底为中心高两端底的类三角体；所述电路和信号灯设置在单原子层石墨烯元件上。所述单原子层石墨烯元件由单原子层石墨烯（1）和支座（3）构成。单原子层石墨烯两端固定在支座上；支座为绝缘材料，倾角为5~10o，支座固定在阻尼基座上。本发明提供了一种基于石墨烯的双稳态物理转换的加速度传感器设计方法，实现记录结构全时间维度上受到的最大荷载，即最危险载荷。

Description

一种基于石墨烯双稳态物理转换的加速度传感器
技术领域
本发明涉及一种基于石墨烯双稳态物理转换的加速度传感器，属于传感器技术领域。
背景技术
传感器是一种监测装置，能够识别待测信息(如力、加速度、温度、浓度等)，并将检测到的信息经电学装置转换成电信号等形式传递及输出，以实现信息传输、储存、显示及控制等要求。
石墨烯是一种由碳原子构成的单原子层低维材料，研究表明与传统材料弯曲变形时截面上产生拉压变形不同，该单原子层结构所有的原子都位于中轴面上，仅依靠键角变化抵抗外弯矩。因此，这一特性赋予了石墨烯超弹特性，在大弯曲变形加载后卸去载荷能够弹性恢复到初始状态。
现有电学传感器的工作机制是：受外力作用时传感器发生变形，通过设计的电学装置形成通路，将变形信息转换成电信号输出。外力变化引起传感器相应的变形并最终体现在输出电信号上。
上述传感器存在以下三方面的限制：
1)传感器变形信息是瞬时的，必须外接电学装置形成通路转换为电信号实时输出、记录和显示；2)传感器量程范围内，结构反复变形造成结构疲劳损伤会影响监测的精度；外载荷超出量程时，传感器变形进入到塑性变形及留有残余应变，影响监测数据的准度。3)传感器灵敏性、稳定性受压电材料的压电常数、居里点温度、机械耦合系数等影响，导致工艺成本高，市场价格高。
发明内容
本发明的目的是，为了解决现有传感器灵敏性和稳定性问题，实现记录结构全时间维度上受到的最大荷载，提出一种基于石墨烯双稳态物理转换的加速度传感器。
本发明实现的技术方案如下，一种基于石墨烯双稳态物理转换的加速度传感器，包括单原子层石墨烯元件，阻尼基底，信号灯。所述阻尼基座上均布有单原子层石墨烯元件构成的点阵石墨烯组件；所述阻尼基底直接与待测物体相连；所述信号灯设置在单原子层石墨烯元件上。
所述单原子层石墨烯元件由单原子层石墨烯和支座构成，单原子层石墨烯两端固定在支座上；支座为绝缘材料，倾角为5～10o，支座固定在阻尼基座上，以保证石墨烯凸拱下翻转时与其接触形成通路。
所述单原子层石墨烯均匀分布于阻尼基底两侧。
所述阻尼基底呈中间高两端低的类三角体，由阻尼比为0.01～0.2的材料制成。
所述点阵石墨烯组件中，单原子层石墨烯元件之间的间距应小于石墨烯宽度，间距越窄则精度越高。
所述单原子层石墨烯的跨度应为100～101微米，呈向上凸拱型，当所受外部激励达到某一临界加速度值时，凸拱向下翻转，翻转后的单原子层石墨烯与电极接触使得电路接通，形成通路。
临界加速度值随跨度增加而减小。例如石墨烯跨度为10微米时，控制轴向位移0.05～1.2微米，可形成凸拱拱高范围为0.5～2.0微米，所识别的加速度范围为300～1800g，近似线性表达式y＝828x-84，其中x表示拱高，y为所识别加速度。所述信号灯通过电路一端与单原子层石墨烯固定在一起，并保持与单原子层石墨烯连接，另一端置于凸拱石墨烯正下方阻尼基底中部。
一种基于石墨烯多稳态物理转换的加速度传感器的设计方法，所述方法根据单原子层石墨烯通过控制支座轴向位移，使其受压失稳形成凸拱的特性，在阻尼基底上均布单原子层石墨烯元件形成点阵石墨烯组件；构成石墨烯双稳态物理转换的加速度传感器，其阻尼基底为中间高两端低的类三角体，基底上部固定排列点阵石墨烯组件和信号灯电路，下部直接与待测体相连；外部激励荷载通过阻尼基底将能量由下而上传播至石墨烯元件，引起石墨烯向下翻转。三角形阻尼基底控制激励传播的耗散，石墨烯点阵元件接收到的能量随高度增加而递减，因此可以根据石墨烯发生翻转的元件高度准确地测定待测物体承受的外激励大小，两侧对称分布的石墨烯元件可对所测数据进行自校核。
所述单原子层石墨烯由于不同跨度，则形成的拱高不同；跨度越大，形成的拱高越小，拱高小则能承受的最大加速度值变小；所述传感器通过控制单原子层石墨烯的不同跨度来识别不同加速度值。
所述传感器凸拱石墨烯向下翻转的数量，即径向信号灯亮起数量来量化显示外载幅值，实现记录结构全时间维度上受到的最大荷载，即最危险载荷。
本发明的有益效果是，本发明提供了一种基于石墨烯的双稳态物理转换的加速度传感器设计方法，以实现记录结构全时间维度上受到的最大荷载，即最危险载荷。本发明传感器中点阵石墨烯组件根据阻尼基底两侧读数可达到自校目的，避免了因个别元件损坏导致误读。本发明可用于军品(如导弹)及精密仪器的防撞监测。
附图说明
图1单原子层石墨烯元件立面图；
图2单原子层石墨烯元件俯视图；
图3传感器单原子层石墨烯组件立面图；
图4传感器单原子层石墨烯组件俯视图；
图中，1为凸拱状态的单原子层石墨烯；2为向下翻转的单原子层石墨烯；3支座；4为阻尼基底；5为电路及信号灯；6为石墨烯元件；7为外部激励。
具体实施方式
本发明的具体实施方式如图1-图4所示。
如图3、图4所示，本实施例双稳态物理转换传感器包括由石墨烯元件组成的石墨烯组件、阻尼基底4、电路及信号灯5。
如图1和图2所示，本实施例中，石墨烯元件包括单原子层石墨烯1、支座3；石墨烯1两端固定在支座3上，通过轴向压缩支座3使得石墨烯1失稳向上凸起，形成石墨烯元件。
本实施例中，阻尼基底4其上部固定有石墨烯元件排列而成的石墨烯组件和信号灯电路5。
外部激励荷载通过阻尼基底4传播至石墨烯元件，当达到凸拱石墨烯所受最大荷载时，凸拱石墨烯突然向下翻转2，使得信号灯5亮起。可通过石墨烯翻转数量及阻尼基底5的阻尼系数，结合传递率曲线计算得出所输入激励的大小。
本实施例中，石墨烯元件之间的间距d应小于石墨烯宽度，具体间距可根据实际需要自行设计，间距越窄则精度越高。
本实施例的单原子层石墨烯跨度应为100～101微米，通过控制不同跨度可识别不同加速度值，临界加速度值随跨度增加而减小；当石墨烯跨度为10微米时，控制轴向位移0.05～1.2微米，形成凸拱拱高范围为0.5～2.0微米，所识别的加速度范围为300～1800g。
本实施例的支座3为绝缘材料，以使得石墨烯上凸状态时电路断开，凸拱下翻后碰触电极接通电路。
本实施例的支座3与石墨烯接触面应为倾斜面，倾角5～10°，以使单原子层石墨烯受轴向压缩时形成上凸拱。
如图3和图4所示，本实施例的阻尼基底4成中间高两端低的类三角形，由阻尼比为0.01～0.2的材料制成，以使能量传播过程中有耗散。
本实施例中的石墨烯凸拱元件，当所受外部激励达到某一临界值时，凸拱向下翻转，形成电路通路，以信号灯指示。翻转后的单原子层石墨烯接触电极上使得电路始终接通。
本实施例中的信号灯通过电路一端与石墨烯和支座固定在一起，并保持与石墨烯链接，另一端置于凸拱石墨烯下方阻尼基底上，以保证石墨烯凸拱下翻转时与其接触形成通路。
外部激励7由阻尼基底4将能量传递至石墨烯元件，因基底材料采用阻尼材料，且每个原件所处高度不同，能量的传递耗散可以根据传递率曲线精确计算。从而根据传感器凸拱石墨烯向下翻转的数量(或面积)，即径向信号灯亮起数量来量化显示外载幅值。
本实施例传感器中点阵石墨烯元件根据阻尼基底两侧读数可达到自校目的，避免了因个别元件损坏导致误读。

Claims (9)

1.一种基于石墨烯双稳态物理转换的加速度传感器，其特征在于，所述传感器包括单原子层石墨烯元件，阻尼基底和信号灯；所述阻尼基座上均布有单原子层石墨烯元件构成的点阵石墨烯组件；所述阻尼基底成中间高两端低的类三角体；所述信号灯设置在单原子层石墨烯元件上。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯多稳态物理转换的加速度传感器，其特征在于，所述单原子层石墨烯元件由单原子层石墨烯和支座构成，单原子层石墨烯两端固定在支座上；支座为绝缘材料，倾角为5～10°，支座固定在阻尼基座上。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯多稳态物理转换的加速度传感器，其特征在于，所述阻尼基底呈中间高两端低的类三角体，由阻尼比为0.01～0.2的材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯多稳态物理转换的加速度传感器，其特征在于，所述点阵石墨烯组件中，单原子层石墨烯元件之间的间距应小于石墨烯宽度，间距越窄则精度越高。
5.根据权利要求2所述的一种基于石墨烯多稳态物理转换的加速度传感器，其特征在于，所述单原子层石墨烯的跨度应为100～101微米，呈向上凸拱型，当所受外部激励达到某一临界加速度值时，凸拱向下翻转，形成通路；临界加速度值随跨度增加而减小。
6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯多稳态物理转换的加速度传感器，其特征在于，所述信号灯通过电路一端与单原子层石墨烯固定在一起，并保持与单原子层石墨烯链接，另一端置于凸拱石墨烯下方阻尼基底上。
7.一种基于石墨烯多稳态物理转换的加速度传感器的设计方法，其特征在于，所述方法根据单原子层石墨烯通过控制支座轴向位移，使其受压失稳形成凸拱的特性，在阻尼基底上均布有单原子层石墨烯元件形成点阵石墨烯组件；构成石墨烯双稳态物理转换的加速度传感器，其阻尼基底的上部固定有石墨烯元件排列而成的石墨烯组件和信号灯电路；外部激励荷载通过阻尼基底传播至点阵石墨烯组件，激励产生的能量引起石墨烯向下翻转，由于每个石墨烯元件所接收的能量不同，由石墨烯向下翻转的数量及基底阻尼系数，能根据传递率曲线精确计算外部激励大小。
8.根据权利要求7所述的一种基于石墨烯多稳态物理转换的加速度传感器的设计方法，其特征在于，所述单原子层石墨烯由于不同跨度，则形成的拱高不同；跨度越大，形成的拱高越小，拱高小则能承受的最大加速度值变小；所述传感器通过控制单原子层石墨烯的不同跨度来识别不同加速度值。
9.根据权利要求7所述的一种基于石墨烯多稳态物理转换的加速度传感器的设计方法，其特征在于，所述传感器凸拱石墨烯向下翻转的数量，即径向信号灯亮起数量来量化显示外载幅值，实现记录结构全时间维度上受到的最大荷载，即最危险载荷。
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