CN114636466A - 一种基于摩擦纳米发电的三维振动传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及振动传感器技术领域,公开了一种基于摩擦纳米发电的三维振动传感器,包括外壳体、内壳体和绳体,外壳体的内部中空,内壳体位于外壳体中,内壳体通过绳体与外壳体连接,使内壳体在静止时悬空,外壳体的内壁上设有第一材料层,第一材料层为电极材料层,内壳体的外壁上设有第二材料层,第二材料层为介电材料层,且第一材料层与第二材料层的材料不同,当器械无振动时,外壳体内静电平衡,当器械发生振动时,内壳体自由晃动,若电极材料层和介电材料层接触分离,则发生摩擦纳米发电现象,将器械振动的振动能转化为电能,不需要再搭载辅助电源,能够通过传感器所显示的电信号的变化来反映器械的振动状态,并具有较好的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及振动传感器技术领域,特别是涉及一种基于摩擦纳米发电的三维振动传感器。
背景技术
振动是一种我们日常生活中最常见的机械运动,人们的生活中离不开振动,如心脏的搏动,声带的振动等;而光本质上也是一种电磁波的振动;此外声音的产生、传播和接受也离不开振动;在工程技术领域中振动现象尤其是管道的振动也是非常重要的。目前从环境中的机械振动采集能量来给电子器件供电可以广泛应用于健康监控、基础设施的监测以及环境保护和治安监测等,而且大多数的振动在超过一定的阈值时,就会对器械的正常工作造成较大的影响,所以现在在很多器械上均装有大量的振动传感器来监测振动,但目前使用的传感器都需要外加电源的支持才可以支撑传感器的正常工作,成本高,且一旦电源断电,则传感器无法使用。
现有技术提供了一种差容式微振动传感器接口电路,包括电源稳压电路、方波激励电路、C-V转换电路、放大滤波电路和微振动传感器敏感元件,其中:电源稳压电路:将外部电源输入的Vin转换成稳定的正电源Vp,分别给方波激励电路、C -V转换电路、放大滤波电路和微振动传感器敏感元件供电,同时接收方波激励电路产生的方波激励信号,产生负电源Vn为放大滤波电路供电,实现双电源供电;方波激励电路:产生方波激励信号分别输出给电源稳压电路和C-V转换电路;C-V转换电路:接收方波激励电路输入的方波激励信号和微振动传感器敏感元件输入的差分电容信号,将所述方波激励信号分成两路同源方波信号分别加载到微振动传感器敏感元件的上固定极板(7)和下固定极板(8)上,对敏感电容Cs1和Cs2进行充放电,微振动传感器敏感元件的中间移动极板(6)与C-V转换电路共地连接;将所述差分电容信号转换成单电压信号Vsense输出给放大滤波电路,并通过匹配电阻Rv1、Rv2和电容Cn3、Cf1、Cf2,对微振动传感器敏感元件的正负灵敏度进行调整;放大滤波电路:接收C-V转换电路输入的单电压信号Vsense,并对输入的单电压信号Vsense进行放大、滤波处理,并输出电压Vout,同时对微振动传感器敏感元件的正零偏和负零偏进行补偿;微振动传感器敏感元件:将被测物体的振动信号转换成差分电容信号并输出给C-V转换电路。该专利的振动传感器需要接入外部电源,需要消耗电能,成本高,并且一旦外部电源断电,传感器将无法使用,不能起到一直监测的作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种不需要额外搭载辅助电源、使用更加方便的基于摩擦纳米发电的三维振动传感器。
为了实现上述目的,本发明提供了一种基于摩擦纳米发电的三维振动传感器,包括外壳体、内壳体和绳体,所述外壳体的内部中空,所述内壳体位于所述外壳体中,所述内壳体通过所述绳体与所述外壳体连接,使所述内壳体在静止时悬空,所述外壳体的内壁上设有第一材料层,所述第一材料层为电极材料层,所述内壳体的外壁上设有第二材料层,所述第二材料层为介电材料层,且所述第一材料层与所述第二材料层的材料不同。
作为优选方案,基于摩擦纳米发电的三维振动传感器还包括电信号检测装置,所述电信号检测装置与所述第一材料层电连接。
作为优选方案,所述外壳体和所述内壳体的形状相同,且在所述内壳体静止时,所述内壳体的各侧面均与所述外壳体相对应的侧面平行。
作为优选方案,所述外壳体和所述内壳体均为正方体。
作为优选方案,所述绳体设置为八条,所述绳体的一端与所述内壳体的顶点连接,所述绳体的另一端与相对应的所述外壳体的顶点连接。
作为优选方案,所述内壳体的各边长为与其相对应的所述外壳体的边长的1/2。
作为优选方案,所述第一材料层的形状与其所在的外壳体的侧面的形状相同,且所述第一材料层的面积小于其所在的外壳体的侧面的面积。
作为优选方案,所述绳体为弹性体。
作为优选方案,所述第一材料层为铜层。
作为优选方案,所述第二材料层为PVC材料层。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
本发明的内壳体位于外壳体中,且内壳体通过绳体与外壳体连接,在使用时,将外壳体安装于器械之上,当器械无振动时,外壳体静止,内壳体也静止,此时内壳体悬于外壳体中,内壳体与外壳体无接触,并且外壳体的内部也保持静电平衡;而当器械发生振动时,由于谐振作用,内壳体与器械同时发生振动,当内壳体和外壳体发生接触分离时,外壳体内部的静电平衡被打破,由于内壳体外壁的第二材料层与外壳体内壁的第一材料层具有不同的电极特性,以及由于静电感应的作用,第一材料层和第二材料层就会分别带有异号电荷,且电荷不会消失;因此,在器械振动时,会带动内壳体在外壳体中自由晃动,而在内壳体的自由晃动中,会使第一材料层和第二材料层之间产生不同的电势差,进而使采用电极材料的第一材料层可对外输出电信号,产生摩擦纳米发电的现象,通过采集该电信号可判断是否发生振动以及判断振动的大小。另外,由于谐振原理,当器械发生不同方向的振动时,内壳体的晃动不同,进而使第一材料层输出的电信号不同,这样就可以根据电信号的不同来判断哪个方向的振动影响最大,从而了解到器械的振动情况。本发明的传感器无需搭载电源即可监测和分析器械的振动,使用方便,实用性强。
附图说明
图1是本发明实施例的基于摩擦纳米发电的三维振动传感器的结构示意图。
图2是本发明实施例的基于摩擦纳米发电的三维振动传感器在器械无振动时的原理图。
图3是本发明实施例的基于摩擦纳米发电的三维振动传感器在器械发生振动时的原理图。
图中,100-外壳体;200-内壳体;300-绳体;400-第一材料层;500-导线; 600-电信号检测装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为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,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外,在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例一
如图1所示,本发明优选实施例的一种基于摩擦纳米发电的三维振动传感器,包括外壳体100、内壳体200和绳体300,外壳体100的内部中空,内壳体200位于外壳体100中,内壳体200通过绳体300与外壳体100连接,使内壳体200在静止时悬空,外壳体100的内壁上设有第一材料层400,第一材料层400为电极材料层,内壳体200的外壁上设有第二材料层,第二材料层为介电材料层,且第一材料层与第二材料层的材料不同。
本实施例的内壳体200位于外壳体100中,且内壳体200通过绳体300与外壳体100连接,在使用时,将外壳体100安装于器械之上,当器械无振动时,外壳体100静止,内壳体200也静止,此时内壳体200悬于外壳体100中,本实施例的内壳体200悬于外壳体100的中心位置,内壳体200与外壳体100无接触,并且外壳体100的内部也保持静电平衡;而当器械发生振动时,由于谐振作用,内壳体200与器械同时发生振动,当内壳体200和外壳体100发生接触分离时,外壳体100内部的静电平衡被打破,由于内壳体200外壁的第二材料层与外壳体 100内壁的第一材料层具有不同的电极特性,以及由于静电感应的作用,第一材料层400和第二材料层就会分别带有异号电荷,且电荷不会消失;因此,在器械振动时,会带动内壳体200在外壳体100中自由晃动,而在内壳体200的自由晃动中,会使第一材料层400和第二材料层之间产生不同的电势差,进而使采用电极材料的第一材料层400可对外输出电信号,产生摩擦纳米发电的现象,通过采集该电信号可判断是否发生振动以及判断振动的大小,当有电信号产生时,器械产生振动,当电信号较大时,振动较大。另外,由于谐振原理,当器械发生不同方向的振动时,内壳体200的晃动不同,进而使第一材料层400输出的电信号不同,这样就可以根据电信号的不同来判断哪个方向的振动影响最大,从而了解到器械的振动情况。本实施例的传感器无需搭载电源即可监测和分析器械的振动,使用方便,实用性强。
在本实施例中,基于摩擦纳米发电的三维振动传感器还包括电信号检测装置600,电信号检测装置600与第一材料层400电连接。电信号检测装置600用于检测第一材料层400输出的电信号。更具体地,本实施例通过导线500连接外壳体 100的两个不同侧面上的第一材料层400形成检测电路,并在该检测电路中连接电信号检测装置600进行检测。电信号检测装置600可为电流表或电压表,通过电流表或电压表的正负、示数来表示输出的电信号。
实施例二
本实施例与实施例一的区别在于,在实施例一的基础上,本实施例对外壳体 100和内壳体200的结构作进一步的说明。
在本实施例中,外壳体100和内壳体200的形状相同,且在内壳体200静止时,内壳体200的各侧面均与外壳体100相对应的侧面平行。使内壳体200与外壳体100的正对面积较大,可增大第一材料层400输出的电信号。
具体地,本实施例的外壳体100和内壳体200均为正方体。即外壳体100为大正方体,内壳体200为小正方体,内壳体200的六个面分别与外壳体100的六个面平行,可监测三个两两相互垂直的方向上的振动。外壳体100和内壳体200 分别由六个正方形基板连接而成。外壳体100和内壳体200均为封闭的壳体,可提高振动监测的稳定性。在外壳体100和内壳体200连接时,绳体300设置为八条,绳体300的一端与内壳体200的顶点连接,绳体300的另一端与相对应的外壳体100的顶点连接,即外壳体100和内壳体200的各个顶点均分别连接一条绳体300。
进一步地,内壳体200的各边长为与其相对应的外壳体100的边长的1/2,可保证足够的空间让内壳体200晃动,同时使第一材料层400与第二材料层有较大的针正对面积,监测器械振动的效果更好。
另外,本实施例的第一材料层400的形状与其所在的外壳体100的侧面的形状相同,且第一材料层400的面积小于其所在的外壳体100的侧面的面积。即外壳体100的内壁并不完全都覆盖第一材料层400。在本实施中,外壳体100的每个侧面都为正方形,则外壳体100的每个侧面上的第一材料层400都为正方形,但第一材料层400的边长小于外壳体100侧面的边长。另外,本实施例的第一材料层400的中心与其所在的外壳体100的侧面的中心重合。
本实施例设置有三条导线500和三个电信号检测装置600,每条导线500将外壳体100上相对的两个侧面上的第一材料层400电连接形成检测电路,电信号检测装置600连接在检测电路中。由于发电原理一致,所以选择外壳体100上其中两个相对的侧面所在的监测电路进行说明。如图2所示,当器械没有振动时,在绳体300的牵引下,内壳体2稳定位于外壳体100的内部中心位置,且外壳体100 的内部保持静电平衡。而当器械发生振动时,内壳体100会开始在外壳体100的内部自由晃动;如图3所示,在内壳体100的晃动过程中,当内壳体200靠近右边时,右边的外壳体100侧面上的第一材料层400感应出正电势,当内壳体200 从右边向左运动时,此时外电路上的电子从左侧流向右侧,电流从右侧流向左侧;而当内壳体2靠近左边时,同理左边的外壳体100侧面上的第一材料层400感应出正电势,当内壳体200从左边向右运动时,此时外电路上的电子从右侧流向左侧,电流从左侧流向右侧。从而产生了交流电信号。本实施例形成了三个检测电路,通过分析三个检测电路的电信号,可得到哪个方向上的振动最大。
本实施例的其他结构与实施例一相同,此处不再赘述。
实施例三
本实施例与实施例二的区别在于,在实施例二基础上,本实施例对绳体300、第一材料层400和第二材料层作进一步的说明。
在本实施例中,绳体300为弹性体。使绳体300具有一定的弹性,具有回弹效果,可以在振动情况下牵引内壳体200在外壳体100中晃动,且使内壳体200 的自由晃动效果好,能得到持续较长的电信号。另外,本实施例的绳体300为轻质材料,可避免妨碍内壳体200晃动,有效减少不必要的损耗。绳体3的长度,应保证在器械无振动时,内壳体200静止在外壳体100的内部中心位置,且在器械发生振动时,要保证自由晃动的内壳体200不与外壳体100的内壁上的第一材料层400发生接触。
另外,本实施例的外壳体100和内壳体200均采用耐压材料制作,使外壳体 100和内壳体200的抗压效果好,进而让传感器的使用寿命长。
在本实施例中,内壳体200整体采用第二材料层的材料制作,使内壳体200 的外壁为第二材料层。具体地,本实施例的内壳体200采用PVC材料制作,因此,第二材料层为PVC材料层。
另外,本实施例的第一材料层400为铜层。即在外壳体100的内壁铺设一层铜膜,铜的导电效果好。
优选地,内壳体200的部分外表面或全部外表面分布有纳米或者次纳米量级的微结构,并且第一材料层400上也分布有纳米或者次纳米量级的微结构,可提高发电效率,进一步提高输出的电信号的大小。
综上,本发明实施例提供一种基于摩擦纳米发电的三维振动传感器,其包括外壳体100、内壳体200和绳体300,内壳体200位于外壳体100中,且内壳体200通过绳体300与外壳体100连接,在使用时,将外壳体100安装于器械之上,当器械无振动时,外壳体100静止,内壳体200也静止,此时内壳体200悬于外壳体100中,内壳体200与外壳体100无接触,并且外壳体100的内部也保持静电平衡;而当器械发生振动时,由于谐振作用,内壳体200与器械同时发生振动,当内壳体200和外壳体100发生接触分离时,外壳体100内部的静电平衡被打破,由于内壳体200外壁的第二材料层与外壳体100内壁的第一材料层具有不同的电极特性,以及由于静电感应的作用,第一材料层400和第二材料层就会分别带有异号电荷,且电荷不会消失;因此,在器械振动时,会带动内壳体200在外壳体100中自由晃动,而在内壳体200的自由晃动中,会使第一材料层400和第二材料层之间产生不同的电势差,进而使采用电极材料的第一材料层400可对外输出电信号,产生摩擦纳米发电的现象,通过采集该电信号可判断是否发生振动以及判断振动的大小,当有电信号产生时,器械产生振动,当电信号较大时,振动较大。另外,由于谐振原理,当器械发生不同方向的振动时,内壳体200的晃动不同,进而使第一材料层400输出的电信号不同,这样就可以根据电信号的不同来判断哪个方向的振动影响最大,从而了解到器械的振动情况。本实施例的传感器无需搭载电源即可监测和分析器械的振动,使用方便,实用性强。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和替换,这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于摩擦纳米发电的三维振动传感器,其特征在于,包括外壳体(100)、内壳体(200)和绳体(300),所述外壳体(100)的内部中空,所述内壳体(200)位于所述外壳体(100)中,所述内壳体(200)通过所述绳体(300)与所述外壳体(100)连接,使所述内壳体(200)在静止时悬空,所述外壳体(100)的内壁上设有第一材料层(400),所述第一材料层(400)为电极材料层,所述内壳体(200)的外壁上设有第二材料层,所述第二材料层为介电材料层,且所述第一材料层(400)与所述第二材料层的材料不同。
2.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电的三维振动传感器,其特征在于,还包括电信号检测装置(600),所述电信号检测装置(600)与所述第一材料层(400)电连接。
3.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电的三维振动传感器,其特征在于,所述外壳体(100)和所述内壳体(200)的形状相同,且在所述内壳体(200)静止时,所述内壳体(200)的各侧面均与所述外壳体(100)相对应的侧面平行。
4.根据权利要求3所述的基于摩擦纳米发电的三维振动传感器,其特征在于,所述外壳体(100)和所述内壳体(200)均为正方体。
5.根据权利要求4所述的基于摩擦纳米发电的三维振动传感器,其特征在于,所述绳体(300)设置为八条,所述绳体(300)的一端与所述内壳体(200)的顶点连接,所述绳体(300)的另一端与相对应的所述外壳体(100)的顶点连接。
6.根据权利要求3所述的基于摩擦纳米发电的三维振动传感器,其特征在于,所述内壳体(200)的各边长为与其相对应的所述外壳体(100)的边长的1/2。
7.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电的三维振动传感器,其特征在于,所述第一材料层(400)的形状与其所在的外壳体(100)的侧面的形状相同,且所述第一材料层(400)的面积小于其所在的外壳体(100)的侧面的面积。
8.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电的三维振动传感器,其特征在于,所述绳体(300)为弹性体。
9.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电的三维振动传感器,其特征在于,所述第一材料层(400)为铜层。
10.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电的三维振动传感器,其特征在于,所述第二材料层为PVC材料层。
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