CN111060716B - 一种基于摩擦纳米发电机的自驱动加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于摩擦纳米发电机的自驱动加速度传感器，包括屏蔽外壳，屏蔽外壳内设有接触式摩擦发电装置，接触式摩擦发电装置包括竖直设置在屏蔽外壳内的基板以及两侧的悬臂梁。悬臂梁和基板之间又栅格式电极层和栅格式介电材料层，当屏蔽外壳处于某一加速度下，在悬臂梁处和基板处对应的栅格分别产生正负电荷，从而产生电势差，通过检测对应栅格间电势差的大小，对获得的多组电势差数据进行计算处理即可获得加速度。本发明无需额外提供能源，仅凭借装置本身就能产生电信号,是一种使用限制少、效率高、绿色环保的装置，有着精度高、范围广、结构简单、抗干扰性好、节能环保和自驱动性等优点。

Description

一种基于摩擦纳米发电机的自驱动加速度传感器

技术领域

本发明涉及静电发电领域，尤其是一种基于摩擦纳米发电机的自驱动加速度传感器。

背景技术

悬臂接触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。其中，电容式加速度传感器存在输出阻抗高，负载能力差，易受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有较大的非线性，输出信号较弱，温漂、时漂较大，不适用于长期监测，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

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于摩擦纳米发电机的自驱动加速度传感器，能够用于加速度的检测，并且无需额外提供能源，能够有自驱动工作，同时精度高、范围广。

具体技术方案是：

一种基于摩擦纳米发电机的自驱动加速度传感器，包括屏蔽外壳，屏蔽外壳内设有接触式摩擦发电装置，接触式摩擦发电装置包括竖直设置在屏蔽外壳内的基板以及两个分别设置在基板两侧的悬臂梁，悬臂梁下端固定在屏蔽外壳上，上端固定一质量块；所述的悬臂梁和基板之间依次设置栅格式电极层一、栅格式介电材料层一、栅格式介电材料层二、栅格式电极层二，所述的栅格式介电材料层一、栅格式介电材料层二的对应的栅格组成栅格对，且两个介电材料层的极性相反。

进一步地，还包括一电信号检测装置，与电极层相连，用于检测两个悬臂梁与基板各个栅格之间的电势差；所述电信号检测装置集成在屏蔽外壳上。

一种如上所述的加速度传感器的加速度测量方法，该方法具体包括：

初始状态下，悬臂梁与基板间的两个介电材料层接触，由于两种介电材料层极性相反，两个介电材料层表面分别形成极性相反的电荷；当屏蔽外壳处于某一加速度状态下，悬臂在质量块惯性力作用下向加速度相反方向弯曲，栅格对的两个介电材料层分离，不同高度的介电材料产生不同的电势差，通过检测这些电势差的大小，即可获得每一栅格处的加速度和挠度；通过数理统计算法对各栅格得到的挠度进行线性回归和筛选，获得最优的加速度值作为待测构件的加速度。

进一步地，通过数理统计算法对各栅格得到的挠度进行线性回归和筛选，获得最优的加速度值作为待测构件的加速度的方法具体为：

(1)将t₀时刻得到的n个栅格的n个电压信号V₁(t₀)、V₂(t₀)......V_n(t₀)带入式(1)、(2)，得到每个栅格处的挠度值y(x_i,t₀)：

I(t)＝V(t)/R (1)

其中d₀＝d₁/ε_r1+d₂/ε_r2为介电材料的等效厚度，S为单个栅格式介电材料的接触面积，σ是接触摩擦产生的电荷密度，R是负载电阻。

(2)根据步骤(1)得到的挠度进行拟合，表示成下式：

其中Y为挠度向量，β为未知参数向量，ε为随机误差向量，X为结构矩阵，I_n为单位矩阵。

(3)用最小二乘法对模型参数进行估计，记

求使Q(β₀,β₁,β₂)达到最小的

则

(4)求解上述正规方程组，β的最小二乘估计为

(5)记

为拟合值向量，

为残差向量，

为残差平方和。则参数σ²的无偏估计s²为

舍弃残差e_i小于-s和大于s的数据，剩余m个挠度数据，对应

y(t₀)₁、y(t₀)₂......y(t₀)_m，再将挠度数据代入式(8)，得到对应的加速度a(t₀)₁、a(t₀)₂......a(t₀)_m。

其中，中EI为悬臂抗弯刚度，m为质量块的质量，l为悬臂固定端到质量块质心的距离；

再由下式计算剩余加速度样本均值和样本方差：

(7)舍弃掉小于

和大于

的加速度值，对剩余的k个数据再由下式计算最终的加速度值，作为待测构件的加速度。

本发明的有益效果如下：

相较现有的加速度传感器，本发明的基于摩擦纳米发电机的自驱动加速度传感器内置于屏蔽外壳，可以根据其力电转换特性，将环境动荷载引起的振动加速度转化为电信号表示，经过测量装置中的信号处理和输出装置将数据输出。本发明无需额外提供能源，仅凭借装置本身就能产生电信号，是一种使用限制少、效率高、绿色环保的装置。相比于背景技术中的加速度传感器来说，悬臂接触式自供能静电加速度传感器有着精度高、范围广、结构简单、抗干扰性好、节能环保和自驱动性等优点。

附图说明

图1是悬臂接触式自供能静电加速度传感器构造图；

图2是图1所示的悬臂接触式加速度传感器受到环境荷载作用的运动状态1；

图3是图1所示的悬臂接触式加速度传感器受到环境荷载作用的运动状态2。

图中标号：1为屏蔽外壳；2为基板；3为质量块；4为栅格式电极一；5为栅格式介电材料层一；6为栅格式介电材料层二；7为栅格式电极层二；8为悬臂梁。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的基于摩擦纳米发电机的自驱动加速度传感器，包括屏蔽外壳，屏蔽外壳1内设有接触式摩擦发电装置，接触式摩擦发电装置包括竖直设置在屏蔽外壳内的基板2以及设置在基板两侧的悬臂梁8，悬臂梁8下端固定在屏蔽外壳1上，上端固定一质量块3。悬臂梁8和基板2之间依次设置栅格式电极层一4、栅格式介电材料层一5、栅格式介电材料层二6、栅格式电极层二7，所述的栅格式介电材料层一5、栅格式介电材料层二6的对应的栅格组成栅格对，且两个介电材料层的极性相反。另一组悬臂梁、栅格式电极层和栅格式介电材料层以基板2为轴对称布置。当屏蔽外壳1处于某一加速度下，悬臂梁8在质量块3惯性力作用下向加速度相反方向弯曲，对应栅格的两种介电材料分离，不同高度的介电材料产生不同的电势差，通过检测这些电势差的大小，即可获得每一栅格处的挠度和加速度，通过概率统计算法对所得各栅格处挠度和加速度进行处理即可获得比单个加速度值更为精确的加速度值。

本发明还包括一电信号检测装置，与电极层相连，用于检测两个悬臂梁8与基板2之间的电势差。该电信号检测装置可以集成在屏蔽外壳1上。

本发明的基于摩擦纳米发电机的自驱动加速度传感器的加速度测量方法具体如下：

(1)通过测得的电压信号V，然后计算得到介电对组群的间距Y

当接触式摩擦发电装置工作时，y(t,x)从0到最大变化。当两种介电材料接触(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分离时，电荷经外加电路产生电流。

此时输出电压V(t)，x高度处的挠度y(t)与转移电荷量Q(t)间的关系为：

其中d₀＝d₁/ε_r1+d₂/ε_r2为介电材料的等效厚度，S为单个栅格式介电材料的接触面积。ε₀为真空介电常数。

当负载电阻给定为R时，根据欧姆定律，存在如下关系式：

联立(1)(2)两式，可得

其中

经过整理即可得x高度处的挠度y(t)：

其中I(t)＝V(t)/R。

将测得的电压信号V向量带入到式(4)即可得到介电对组群的间距向量Y。

(2)基于悬臂梁挠度曲线对反演得到的介电对组群间距元素进行筛选

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，栅格式介电材料层一1与栅格式介电材料层二2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，栅格式介电材料层一1与栅格式介电材料层二2之间产生相对位移y(t,x)，此时可以得到悬臂梁的挠度方程：

其中EI为悬臂抗弯刚度，m为质量块的质量，l为悬臂固定端到质量块质心的距离，l1为靠近悬臂固定端的介电材料边界到悬臂固定端的距离，l2为远离悬臂固定端的介电材料边界到悬臂固定端的距离。x为静止状态下第二基板上任意位置距悬臂固定端的距离，y(t,x)为在某时刻t某位置x处，栅格式介电材料层一1与栅格式介电材料层二2之间产生的相对位移；

通过考察各点位移与拟合挠度曲线的差值来剔除异常点。具体地，用多元线性回归来完成。根据(5)式可知运动状态下基板的挠度方程是一次项与三次项的组合，故令Y＝β₀+β₁x³+β₂x+ε，其中β_j是未知参数，ε是随机因素，假定ε_i相互独立且服从正态分布N(0,σ²)。

对应的数学模型通过矩阵形式可描述为：

其中Y为观测值向量，β为未知参数向量，ε为随机误差向量，X为结构矩阵，I_n为单位矩阵。

用最小二乘法对模型参数进行估计。

记

求使Q(β₀,β₁,β₂)达到最小的

则

求解上述正规方程组，β的最小二乘估计为

记

为拟合值向量，

为残差向量，

为残差平方和。

则参数σ²的无偏估计s²为

舍弃残差e_i小于-s和大于s的数据，剩余m个介电对间距数据，对应y(t₀)₁、y(t₀)₂......y(t₀)_m。

(3)采用筛选后的介电对间距组群计算加速度结果

由式(5)整理可得由x处栅格对测得的加速度值：

将步骤(2)筛选剩余的y(t₀)₁、y(t₀)₂......y(t₀)_m代入到式(11)中即可得到对应的加速度a(t₀)₁、a(t₀)₂......a(t₀)_m，再由下式计算剩余加速度样本均值和样本方差：

舍弃掉小于

和大于

的加速度值，对剩余的k个数据再由下式计算最终的加速度值，作为待测构件的加速度。

图3表示加速度向左的运动过程，计算原理与上述状态相同。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于摩擦纳米发电机的自驱动加速度传感器，其特征在于，包括屏蔽外壳，屏蔽外壳内设有接触式摩擦发电装置，接触式摩擦发电装置包括竖直设置在屏蔽外壳内的基板以及两个分别设置在基板两侧的悬臂梁，悬臂梁下端固定在屏蔽外壳上，上端固定一质量块；所述的悬臂梁和基板之间依次设置栅格式电极层一、栅格式介电材料层一、栅格式介电材料层二、栅格式电极层二，所述的栅格式介电材料层一、栅格式介电材料层二的对应的栅格组成栅格对，且两个介电材料层的极性相反；

所述自驱动加速度传感器还包括一电信号检测装置，与电极层相连，用于检测两个悬臂梁与基板各个栅格之间的电势差；

初始状态下，悬臂梁与基板间的两个介电材料层接触，由于两种介电材料层极性相反，两个介电材料层表面分别形成极性相反的电荷；当屏蔽外壳处于某一加速度下，悬臂梁在质量块惯性力作用下向加速度相反方向弯曲，对应栅格的两种介电材料分离，不同高度的介电材料产生不同的电势差，通过检测这些电势差的大小，即可获得每一栅格处的挠度和加速度，通过概率统计算法对所得各栅格处挠度和加速度进行处理即可获得比单个加速度值更为精确的加速度值。

2.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的自驱动加速度传感器，其特征在于，所述电信号检测装置集成在屏蔽外壳上。

3.一种基于权利要求1所述的加速度传感器的加速度测量方法，其特征在于，该方法具体包括：

(1)将t₀时刻得到的n个栅格的n个电压信号V₁(t₀)、V₂(t₀)......V_n(t₀)带入式(1)、(2)，得到每个栅格处的挠度值y(x_i,t₀)：

I(t)＝V(t)/R (1)

其中d₀＝d₁/ε_r1+d₂/ε_r2为介电材料的等效厚度，S为单个栅格式介电材料的接触面积，σ是接触摩擦产生的电荷密度，R是负载电阻；

(2)根据步骤(1)得到的挠度进行拟合，表示成下式：

其中Y为挠度向量，β为未知参数向量，ε为随机误差向量，X为结构矩阵，I_n为单位矩阵；

(3)用最小二乘法对模型参数进行估计，记

求使Q(β₀,β₁,β₂)达到最小的

则

(4)求解上述正规方程组，β的最小二乘估计为

(5)记

为拟合值向量，

为残差向量，

为残差平方和，则参数σ²的无偏估计s²为

舍弃残差e_i小于-s和大于s的数据，剩余m个挠度数据，对应

y(t₀)₁、y(t₀)₂......y(t₀)_m，再将挠度数据代入式(8)，得到对应的加速度a(t₀)₁、a(t₀)₂......a(t₀)_m

其中，中EI为悬臂抗弯刚度，m为质量块的质量，l为悬臂固定端到质量块质心的距离；

再由下式计算剩余加速度样本均值和样本方差：

(7)舍弃掉小于

和大于

的加速度值，对剩余的k个数据再由下式计算最终的加速度值，作为待测构件的加速度

。

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