CN110849509A - 自供能的应力检测装置、检测方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自供能应力检测装置，包括：感知应力的弹性片、与所述弹性片的一端接触设置的摩擦部件，该摩擦部件包含一个摩擦层，及与所述摩擦层接触的电极层；所述弹性片与所述摩擦层面对面设置并且一端固定于所述摩擦层上方，另一端远离所述摩擦层；在所述弹性片与所述电极层间形成电连接，用于连接测量仪器；或者，在所述电极层与地之间或者在所诉弹性片与地之间形成电连接，用于连接测量仪器。利用了当弹性片发生形变时，改变整体上与摩擦部件的接触面积和分离距离，从而自发产生的摩擦电效应测量弹性片应力，不需要外部提供电源，实现了自供能测量。并且，根据弹性片受应力的方式不同，可以实现整体结构的多功能应用。

Description

自供能的应力检测装置、检测方法和应用

技术领域

本发明涉及检测技术领域，特别是涉及能够自主进行应力检测的自供能应力检测装置、检测方法和应用。

背景技术

弹性片是一类简单但十分重要的仪器元件，小到机械钟表的发条，大到汽车的减震器件都被广泛的采用。这类器件最明显的特征在于当受到应力时能够产生形变，一旦取消应力能够恢复原状。而当施加的应力的方式不同，间接的可以反应出其他物理信息，比如：质量、加速度等。

通常检测应力的方式有弹簧测力计、光学测力计、扭矩传感器等，这些方法都是间接的通过外部仪器来测量，通常需要将弹性片拆卸下来，这极大地影响了测量的便利性。

另外一方面，这些仪器通常需要外部供能，比如电池、电容器、甚至直接的市电电源，这限制了测量的使用范围，增加了测量成本。而且外部电源本身也不够环保，比如电池不仅体积较大、质量较重，而且含有的有毒化学物质对环境和人体存在潜在的危害。并且，由于外部测量方法通常只能测量静应力，而对于施加的高速变化应力很难被检测，这极大地限制了同一个弹性片器件的多功能应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于摩擦纳米发电机的自供能应力检测装置。

为实现上述目的，本发明提供一种，包括：感知应力的弹性片、与所述弹性片的一端接触设置的摩擦部件，该摩擦部件包含一个摩擦层，及与所述摩擦层接触的电极层；所述弹性片与所述摩擦层面对面设置并且一端固定于所述摩擦层上方，另一端远离所述摩擦层；

在所述弹性片与所述电极层间形成电连接，用于连接测量仪器；

或者，在所述电极层与地之间形成电连接，用于连接测量仪器。

一种自供能应力检测装置，包括：感知应力的弹性片、与所述弹性片的一端接触设置的摩擦部件，该摩擦部件包含一个摩擦层，所述弹性片与所述摩擦层面对面设置并且一端固定于所述摩擦层上方，另一端远离所述摩擦层；在所述弹性片与地之间形成电连接，用于连接测量仪器。

优选的，所述弹性片的结构为：在所述弹性片的弹性形变方向的截面为直线形、圆弧形、椭圆形、抛物线形、指数线形或波浪形结构。

优选的，所述摩擦层面向所述弹性片的表面结构的结构为：在所述弹性片的弹性形变方向的截面为直线形、圆弧形、椭圆形、抛物线形、指数线形或波浪形结构。

优选的，所述弹性片的材料为导体或半导体。

优选的，所述弹性片的材料为不锈钢薄片。

优选的，所述摩擦层为绝缘材料。

优选的，还包括载物台，用于承载整个结构。

优选的，所述测量仪器用于测量电压、电流或电荷量。

上述任一项所述自供能应力检测装置的应用。

优选的，所述自供能应力检测装置作为灵敏称、向心加速度传感器或振动传感器。

本发明还提供一种键盘，包括多个上述任一项所述自供能应力检测装置，每个所述自供能应力检测装置设置在一个按键位置，其输出的电信号代表一个按键被按压。

相应的，本发明还提供一种自供能应力检测方法，应用上述任一项所述的自供能应力检测装置，建立上述所述的自供能应力检测装置输出电学参量与弹性片所受应力之间的数学传递关系，通过测量该电学参量求得弹性片所受应力的大小。

优选的，所述弹性片所受应力为静态应力、动态应力、接触式应力、非接触式应力中的一种或者几种。

优选的，施加于所述弹性片的应力的方式为：按压、放置重物、旋转、振动、平动加速、旋转加速、扭动、击打或摆动。

与现有技术相比，本发明具有下列有益效果：

本发明利用了当弹性片发生形变时，改变整体上与摩擦部件的接触面积和分离距离，从而自发产生的摩擦电效应测量弹性片应力，不需要外部提供电源，实现了自供能测量。

本发明结构简单、节能、环保、高效、成本低廉，易于推广。

本发明当外部应力以不同方式施加于弹性片时，可把弹性片使用为多功能传感器，拓展了弹性片的功能。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明自供能应力检测装置的典型结构示意图；

图2为实施例一具体例子中在不同应力下对应的电压信号；

图3为实施例二的自供能应力检测装置的结构示意图；

图4为实施例三的自供能应力检测装置的结构示意图；

图5为实施例四的自供能应力检测装置的结构示意图；

图6至图9为本发明自供能应力检测装置的应用示意图；

图10和图11为本发明自供能应力检测装置作为键盘的应用示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施示例中的附图，对本发明实施示例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施示例仅是本发明一部分实施示例，而不是全部的实施示例。基于本发明中的实施示例，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示例，都属于本发明保护的范围。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施示例时，为便于说明，所述示意图只是示例，不应限制本发明保护的范围。

实施例一：

图1为本实施例的自供能应力检测装置的典型结构示意图，包括：感知应力的弹性片10、与弹性片10的一端接触设置的摩擦部件，该摩擦部件包含一个摩擦层20，及与摩擦层20接触的电极层21；弹性片10与摩擦层20面对面设置并且一端固定于摩擦层20上方，另一端远离摩擦层20；在弹性片10与电极层21间形成电连接，用于连接测量仪器。还可以在电极层21下方设置承载整个结构的载物台30。

弹性片10用于实时感应外界应力，材料可以为导电、半导体材料制成，导电不锈钢片等导电弹性材料。弹性片10与摩擦层20的得失电荷能力不同，摩擦层20通常为绝缘材料，如苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺11、聚酰胺6-6、羊毛及其编织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯(涤纶)、异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚(2,6-二甲基聚亚苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯中的一种或者几种。

在外力作用下，当弹性片10发生形变，改变弹性片10整体与摩擦层20接触的面积和分离的距离。所述弹性片与摩擦层的材料不同，接触的表面存在得失电荷能力的差异，在弹性片10与电极层21间形成电信号输出，弹性片10、摩擦层20和电极层21形成一个双电极结构的摩擦纳米发电机。因此可以根据测量弹性片10与电极层21间的电学参量，如：电压、电流、电量等获取弹性片的形变应力。进一步，根据弹性片受应力的方式不同，可以实现整体结构的多功能应用。

下面以一个具体例子说明本实施例的装置对应力的响应特性。

弹性片10的材质为不锈钢薄片，物理参数为：密度为7850千克/立方米、杨氏模量为2×10¹¹帕、泊松比为0.33。尺寸参数为：长45毫米、宽7.5毫米、厚0.1毫米、半径为50mm的圆弧形。

与弹性片一端接触设置的摩擦部件，包含一个摩擦层20，材质为聚四氟乙烯薄膜，尺寸参数为：长60毫米、宽7.5毫米、厚0.127毫米。与摩擦层20接触的电极层21为导电铜胶带。

以及承载整个结构的载物台30，材质为亚克力板，尺寸参数为长60毫米、宽7.5毫米、厚5毫米。

装配过程及测量说明如下：首先将电极21粘于亚克力板30上方；细铜导线连接于电极层21；聚四氟乙烯摩擦层20粘于电极层21的上方；将连接有铜导线的如上结构的一端用卡普顿胶带包裹；将弹性不锈钢片10一端长5毫米部分放置于聚四氟乙烯摩擦层20的一端；细铜导线连接于弹性不锈钢片10；并用卡普顿胶带包裹这一端。

如上，为组装好的自供能应力检测装置的结构。当对弹性片施加不同应力时，在两根铜导线上会用不同的电信号输出。通过测量该电信号可以测量弹性片的应力。图2为在不同应力下对应的电压信号。

实施例二：

本实施例中，参见图3，自供能应力检测装置与实施例一的区别在于，在电极层与地之间形成电连接，用于连接测量仪器，其他部分与实施例一完全相同。弹性片、摩擦层、电极层和地之间形成单电极结构的摩擦纳米发电机。

当对弹性片施加不同应力时，由于弹性片与摩擦层材料不同，接触的表面存在得失电荷能力的差异，随着弹性片与摩擦层之间接触或者距离改变，在电极层与地之间会有不同的电信号输出。通过测量该电信号可以测量弹性片的应力。

本实施例中，弹性片的材料可以为导体、半导体或者绝缘体材料。

实施例三：

本实施例中，参见图4，自供能应力检测装置与实施例一的区别在于，摩擦部件仅包括摩擦层，在弹性片与地之间形成电连接，用于连接测量仪器，其他部分与实施例一完全相同。弹性片、摩擦层和地之间形成单电极结构的摩擦纳米发电机。

当对弹性片施加不同应力时，由于弹性片与摩擦层材料不同，接触的表面存在得失电荷能力的差异，随着弹性片与摩擦层之间接触或者距离改变，在弹性片与地之间会有不同的电信号输出。通过测量该电信号可以测量弹性片的应力。

本发明中的测量仪器可以用于检测电路中的电流、电压或者电荷量等电信号。

实施例四：

本实施例中，自供能应力检测装置的弹性片10的结构可以为任意可以弹性变形的结构，可以为平板结构，如图5中所示，也可以为其他可弹性回复的结构。例如，在弹性片的弹性形变方向的截面可以为直线形、圆弧形、椭圆形、抛物线形、指数线形、波浪形等结构。

摩擦层20面向弹性片10的表面结构也不限定为一定为平面，也可以为图5中所示的弧形凸起结构，也可以为互相凹陷结构，或者为其他复杂的图形化结构。

例如，在弹性片的弹性形变方向的截面可以为直线形、圆弧形、椭圆形、抛物线形、指数线形、波浪形等结构。

下面提供实施例一至四中任一种自供能应力检测装置的具体应用。

实施例五：

以实施例一中的装置为例，在实施例一中自供能应力检测装置的弹性片上放置不同的重物时，由于重力的作用，在两根铜导线上会产生不同的电信号输出。由于电压信号与力之间具有数学传递关系，而力跟物体的质量的传递关系为(F＝mg，其中F为力，m为质量，g为重力加速度)。因此可以建立电信号与质量间的传递关系，从而可以测量重物的质量。如图6所示，当一个螺母放置于弹性钢片上时，由于重力小，弹性片形变小，测量得到的质量为0.932克。当两个螺母放置于弹性钢片上时，由于重力更大，弹性片形变更大，测量得到的质量为1.867克。这种施加应力的方式为放置重物，可以对不同质量的应力进行灵敏反应，表明本发明自供能应力检测装置可以当作灵敏称使用。

实施例六：

以实施例一中的装置为例，把在实施例一中自供能应力检测装置整个结构固定在转动台边缘上，弹性片采用圆弧形弹性钢片，不同的转动速度时，在两根铜导线上会产生不同的电信号输出。如图7所示，左图为转速慢时弹性钢片的形变更小，右图为转速快时弹性钢片的形变更大。由于转速对应了向心加速度的大小，可以通过测量两根铜导线的电信号得到向心加速度。如图8所示，在不同向心加速度下对应的电压信号，测试的加速度范围在0-600米/秒²。测试结果表明本发明提供的自供能应力检测装置可以作为向心加速度传感器使用。

实施例七：

以实施例一中的装置为例，把在实施例一中自供能应力检测装置整个结构放置在振动台上时，如图9所示，不同的振动状态，在两根铜导线间会产生不同的电信号输出。随着应用的弹性片长度从40毫米到1毫米变化时，共振频率在55赫兹到8万赫兹间变化。测试结果表明本发明的自供能应力检测装置可以当作振动传感器使用。

实施例八：

本实施例提供一种应用实施例一至四中任一项的自供能应力检测装置的键盘。

包括多个实施例一至四中任一项所述的自供能应力检测装置，按照需要的键盘的方式设置，如图10所示，每个自供能应力检测装置设置在一个按键位置，其输出的电信号代表一个按键被按压。

以图10中9个自供能应力检测装置按照3×3排列，每个自供能应力检测装置代表1个数字。当按压某个自供能应力检测装置的弹性片时，在对应的自供能应力检测装置会有电信号输出。如图11所示，手指随机施加应力，依次按压“298157436”，在各自对应的自供能应力检测装置得到对应的电压。测试结果表明，把多个自供能应力检测装置的结构集成在一处，通过手指施加应力，这个结构可以当作键盘使用。

实施例九：

本实施例提供一种自供能应力检测方法。

需要说明的是，弹性片与摩擦层接触表面之间得失的电荷可包括：电子、空穴、正极性分子、负极性分子、正极性基团、负极性基团中的一种或者几种。当弹性片在外力作用下产生形变时，其与摩擦层接触表面间发生接触、分离，或接触的面积发生改变，或二者之间距离发生改变，由于弹性片与摩擦层接触表面之间存在得失电荷能力的差异，使得弹性片与摩擦层之间，或弹性片与大地之间的电学参量发生实时改变，该电学参量可包括：电压、电流、电荷量中的一种或者几种。

建立上述电学参量与弹性片所受应力之间的数学传递关系，即可通过测量该电学参量求得应力的大小。

弹性片所受应力可为静态应力、动态应力、接触式应力、非接触式应力中的一种或者几种。施加于弹性片的应力的方式可为，但不限于：按压、放置重物、旋转、振动、平动加速、旋转加速、扭动、击打、摆动。

施加于弹性片的应力的方式不同，可据此导出应力与质量、向心力、向心加速度、振动频率、振动幅度、平动加速度间的关系；本发明可实现质量、向心力、向心加速度、振动频率、振动幅度、平动加速度中的一种或者几种的测量。本发明可以被应用为，但不限于，力传感器、灵敏称、加速度传感器、向心力传感器、振动传感器。

以上所述，仅是本发明的较佳实施示例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施示例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施示例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (15)

1.一种自供能应力检测装置，其特征在于，包括：感知应力的弹性片、与所述弹性片的一端接触设置的摩擦部件，该摩擦部件包含一个摩擦层，及与所述摩擦层接触的电极层；所述弹性片与所述摩擦层面对面设置并且一端固定于所述摩擦层上方，另一端远离所述摩擦层；

在所述弹性片与所述电极层间形成电连接，用于连接测量仪器；

或者，在所述电极层与地之间形成电连接，用于连接测量仪器。

2.一种自供能应力检测装置，其特征在于，包括：感知应力的弹性片、与所述弹性片的一端接触设置的摩擦部件，该摩擦部件包含一个摩擦层，所述弹性片与所述摩擦层面对面设置并且一端固定于所述摩擦层上方，另一端远离所述摩擦层；在所述弹性片与地之间形成电连接，用于连接测量仪器。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述弹性片的结构为：

在所述弹性片的弹性形变方向的截面为直线形、圆弧形、椭圆形、抛物线形、指数线形或波浪形结构。

4.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述摩擦层面向所述弹性片的表面结构的结构为：

在所述弹性片的弹性形变方向的截面为直线形、圆弧形、椭圆形、抛物线形、指数线形或波浪形结构。

5.根据权利要求1、3或4所述的装置，其特征在于，所述弹性片的材料为导体或半导体。

6.根据权利要求1-5任一项所述的装置，其特征在于，所述弹性片的材料为不锈钢薄片。

7.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，所述摩擦层为绝缘材料。

8.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，还包括载物台，用于承载整个结构。

9.根据权利要求1-8任一项所述的装置，其特征在于，所述测量仪器用于测量电压、电流或电荷量。

10.权利要求1-9任一项所述自供能应力检测装置的应用。

11.根据权利要求10所述的应用，其特征在于，所述自供能应力检测装置作为灵敏称、向心加速度传感器或振动传感器。

12.一种键盘，其特征在于，包括多个权利要求1-9任一项所述自供能应力检测装置，每个所述自供能应力检测装置设置在一个按键位置，其输出的电信号代表一个按键被按压。

13.一种自供能应力检测方法，其特征在于，应用权利要求1-9任一项所述的自供能应力检测装置，建立上述所述的自供能应力检测装置输出电学参量与弹性片所受应力之间的数学传递关系，通过测量该电学参量求得弹性片所受应力的大小。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述弹性片所受应力为静态应力、动态应力、接触式应力、非接触式应力中的一种或者几种。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，施加于所述弹性片的应力的方式为：按压、放置重物、旋转、振动、平动加速、旋转加速、扭动、击打或摆动。

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