CN114754859A - 一种自驱动机械振动传感器及机械振动监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自驱动机械振动传感器及机械振动监测方法，其中，自驱动机械振动传感器包括：电磁发电模块，用于收集一个方向的机械振动产生的能量；倍压整流储能模块，用于将电磁发电模块输出的交流电转化成直流电并储存；摩擦发电模块，用于检测电磁发电模块对应机械振动方向的正交方向的机械振动并输出电信号；脉冲触发模块，由摩擦发电模块输出的电信号触发，并由倍压整流储能模块供能。本发明耦合了电磁发电模块和摩擦发电模块，二者紧密有效耦合，分工明确且互不影响，充分发挥了其在能量收集和主动传感方面独特的优势；倍压整流储能模块和脉冲触发模块减少了不必要的能量损耗和满足了实际应用的需求，实现了自供能和主动传感报警功能。

Description

一种自驱动机械振动传感器及机械振动监测方法
技术领域
本发明属于机械振动传感器领域，涉及一种耦合多工作机制的自驱动机械振动传感器及基于该自驱动机械振动传感器的机械振动监测方法，其中，特别涉及机械振动的能量收集和振动检测的主动传感。
背景技术
在城市的快速建设和稳定运行过程中，大型机械(比如高铁、地铁、货梯、传送带)发挥着举足轻重的作用。这些大型机械在运行过程中会不可避免地产生复合式振动，这种振动通常被认为是不利的。在对这种复合振动进行分解、分析时发现：通常一个方向的振动是由于机械自身特性产生的，不可避免；另一个方向(指正交方向)的振动是由外部因素引起的，比如运动冲击、受力不均、设备老化、运行时间过长等，对机械自身稳定运行产生负面影响。如果无法对这种复合振动进行实时监测、传感和反馈，机械在运行过程中可能会发生故障，从而造成巨大的人力、财力损失。
目前通常采用机械振动传感器而非电子振动传感器来对机械设备进行监测，其原因是：一方面，机械设备的运行环境通常涉及到交互的电场和磁场，会影响电子振动传感器的稳定性和持久性，而依赖于机械结构的机械振动传感器能更好地发挥作用；另一方面，电子振动传感器一般需要外接电源，不可避免地会产生电池替换或废弃带来的环境污染和/或替换成本问题，无法满足物联网时代分布式微纳能源的需求。但是，现有的机械振动传感器只是笼统地对机械振动进行监测，很少考虑机械的混合振动和分解，由此会不可避免地出现误判的情况，从而对机械设备的正常稳定运行产生干扰。
此外，为响应物联网时代分布式能源的需求，如何有效收集环境中的机械能并就地用于传感器供能是目前的研究热点。摩擦发电机和电磁发电机均为可将机械能转化为电能的技术，在能源收集方面都展现了巨大的优势。其中，摩擦发电机是一种新兴的技术，其理论来源于麦克斯韦位移电流方程，利用摩擦起电和静电感应的耦合进行能量转化。摩擦发电机在能量收集和主动传感方面都展现出了巨大的潜能。作为能量收集装置，摩擦发电机可以高效地收集环境中低频、随机、无序的机械能，比如人体运动机械能、风能和海洋能等。作为传感器，摩擦发电机对外部刺激如压力、速度、湿度、甚至是温度等能够产生灵敏响应。电磁发电机是一种成熟的技术，其理论源自法拉第电磁感应定律和/或楞次定律，利用电磁感应现象的原理进行发电，用于能量收集已经发展了快200年。
近来，有许多研究致力于耦合摩擦发电机和电磁发电机进行高效的能量收集和稳定的能源供应，以响应物联网时代分布式能源的需求。但是，在二者结合过程中，由于要兼顾整体输出性能，摩擦发电机能量收集的优势没有被充分利用，主动传感的能力也没有得到体现，而电磁发电机自身也只在较高频率下才能更有效收集机械能。在实际中，如何更加合理地耦合多种工作机制，适应实际的需求和需要，同时最大化发挥各自的优势具有重大的现实意义和研究意义。
发明内容
本发明针对目前对摩擦发电机和电磁发电机耦合进行能量收集的过程中，摩擦发电机能量收集的优势没有被充分利用，主动传感的能力也没有得到体现的情况，提供了一种自驱动机械振动传感器及机械振动监测方法。
本发明提供了一种自驱动机械振动传感器，具有这样的特征，包括：电磁发电模块，用于收集一个方向的机械振动产生的能量，并输出交流电；倍压整流储能模块，包括倍压整流电路和储能单元，倍压整流电路与电磁发电模块电连接，用于将电磁发电模块输出的交流电转化成直流电，储能单元与倍压整流电路电连接，用于储存倍压整流电路转化的直流电；摩擦发电模块，包括至少两个摩擦发电单元，两个摩擦发电单元呈与电磁发电模块对应的机械振动方向正交布置，用于检测电磁发电模块对应机械振动方向的正交方向的机械振动，并输出电信号；以及脉冲触发模块，包括脉冲触发电路，脉冲触发电路与各个摩擦发电单元电连接，并分别由各个摩擦发电单元输出的电信号触发，脉冲触发电路与储能单元电连接，并由储能单元供能。
在本发明提供的自驱动机械振动传感器中，还可以具有这样的特征：电磁发电模块包括第一磁铁、多根立柱、第二磁铁、两块基板、以及线圈。第一磁铁位置固定，多根立柱分布在第一磁铁的周侧，第二磁铁在重力和磁性斥力作用下悬浮于第一磁铁的正上方，两块基板分别连接在第二磁铁的上表面和下表面，每块基板分别滑动安装在多根立柱上，线圈设置于第一磁铁和多个立柱的周侧。
其中，优选地，第一磁铁和第二磁铁均呈圆形。更优选地，立柱的数量为四根，四根立柱呈方形布置，两块基板均呈方形且四角开有供立柱穿过的孔，线圈呈方形且为多层平绕式结构。
其中，优选地，电磁发电模块有一固有共振频率，该固有共振频率仅由第一磁铁和第二磁铁的尺寸决定。
在本发明提供的自驱动机械振动传感器中，还可以具有这样的特征：每个摩擦发电单元为单摆式单电极摩擦发电机。
其中，优选地，每个摩擦发电单元包括单摆组件和轨道组件；单摆组件用于在机械振动触发下做单摆运动，单摆组件包括支撑轴、摆臂、质量块、以及第一摩擦层，支撑轴位置固定且其轴线与电磁发电模块对应的机械振动方向垂直，两个摩擦发电单元的支撑轴的轴线呈正交布置，摆臂的上端与支撑轴转动连接，摆臂的下端安装质量块，第一摩擦层设置在质量块的表面；轨道组件用于与单摆组件配合进行摩擦，轨道组件包括轨道、缓冲层、导电层、以及第二摩擦层，轨道具有与单摆组件运动配合的圆弧面，缓冲层、导电层、第二摩擦层由下至上依次层叠地设置于轨道的圆弧面上。
更优选地，第一摩擦层和第二摩擦层之间具有径向间距。径向间距为0.2～0.5mm。
更优选地，第一摩擦层由动物皮毛制成。
更优选地，第二摩擦层由聚四氟乙烯制成。
更优选地，支撑轴、摆臂、质量块、轨道均由不受磁铁影响的材料制成。
更优选地，每个摩擦发电单元有一固有共振频率，该固有共振频率仅由摆臂的长度决定。
在本发明提供的自驱动机械振动传感器中，还可以具有这样的特征：脉冲触发电路包括双D触发器、四双向模拟开关、限流电阻、以及触发指示LED灯。
在本发明提供的自驱动机械振动传感器中，还可以具有这样的特征：还包括：壳体，内部安装电磁发电模块、倍压整流储能模块、摩擦发电模块、以及脉冲触发模块。
本发明还提供了一种机械振动监测方法，具有这样的特征，采用上述的自驱动机械振动传感器收集机械设备振动过程中一个方向振动产生的能量及监测与该方向正交方向的振动。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的自驱动机械振动传感器，与现有技术相比，因为耦合了电磁发电模块和摩擦发电模块，其中，电磁发电模块能收集一个方向的高频机械振动产生的能量，摩擦发电模块能检测其正交方向不正常的低频机械振动，二者分工明确，各司其职且互不影响，所述本自驱动机械振动传感器充分发挥了电磁发电模块在能量收集方面和摩擦发电模块在主动传感方面独特的优势，同时避免了其他研究中将摩擦发电机和电磁发电机耦合用于能量收集时出现的摩擦发电机能量密度过低的问题；因为搭配了倍压整流储能模块和脉冲触发模块，其中，倍压整流储能模块能将电磁发电模块输出的交流电转化成直流电并储存，脉冲触发模块由倍压整流储能模块供能且由摩擦发电模块输出的电信号触发，所以，本自驱动机械振动传感器实现了自驱动和主动传感报警功能。
附图说明
图1是本发明的实施例中自驱动机械振动传感器的结构示意图；
图2是本发明的实施例中电磁发电模块的结构示意图；
图3是本发明的实施例中单个摩擦发电单元的结构示意图；
图4是本发明的实施例中第一摩擦层的微观结构示意图；
图5是本发明的实施例中摩擦发电单元响应外部振动产生电信号输出的工作原理示意图，(a)～(e)为摩擦发电单元的不同状态；
图6是本发明的实施例中电磁发电模块的性能测试情况的示意图，(a)是往复电机振动幅度为7cm时开路电压随着振动频率增大的输出情况，(b)是往复电机振动幅度为7cm时短路电流随着振动频率增大的输出情况，(c)是开路电压和短路电流与振动频率的变化关系曲线，(d)是输出功率随着不同外加负载的变化曲线，(e)是在往复电机振动幅度为7cm且频率为2Hz的条件下给不同容值电容充电时电容两端电压的变化情况，(f)是给1mF的铝电解电容充电并驱动温湿度计时电压变化情况；
图7是本发明的实施例中摩擦发电单元的性能测试情况的示意图，(a)是在不同外部机械振动条件下开路电压的输出情况，(b)是在不同外部机械振动条件下短路电流的输出情况，(c)是在不同外部机械振动条件下转移电荷量的输出情况，(d)是开路电压和短路电流与加速度的变化关系曲线，(e)是开路电压在不同相对湿度下的输出情况，(f)是开路电压随着相对湿度增大时的输出情况。
附图标记说明：
10壳体；11底板；12侧板；13顶板；20电磁发电模块；21第一磁铁；22立柱；23第二磁铁；24基板；25线圈；30倍压整流储能模块；40摩擦发电模块；41摩擦发电单元；411支撑轴；412摆臂；413质量块；414第一摩擦层；415轨道；416缓冲层；417导电层；418第二摩擦层；50脉冲触发模块。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明作具体阐述。
实施例
图1是自驱动机械振动传感器的结构示意图。
如图1所示，本实施例提供了一种自驱动机械振动传感器，包括壳体10及安装在壳体10内的电磁发电模块20、倍压整流储能模块30、摩擦发电模块40、以及脉冲触发模块50。
壳体10用于封装内部的模块，壳体10的形状宜采用具有良好稳定性的常规形状。在本实施例中，壳体10呈长方体状，包括一块底板11、四块侧板12和一块顶板13，各板采用亚克力塑料板，具有较好的透明性，可有效预防外部环境的干扰，性能稳定。
图2是电磁发电模块20的结构示意图。
如图1和图2所示，电磁发电模块20用于收集高振幅和高频率的纵向机械振动产生的机械能，并输出交流电。电磁发电模块20包括第一磁铁21、多根立柱22、第二磁铁23、两块基板24、以及线圈25。第一磁铁21安装在壳体10的底板11内表面上。多根立柱22竖立安装在底板11的内表面上，并均匀分布于第一磁铁21的周侧。第二磁铁23设置于第一磁铁21的正上方且与第一磁铁21同极相斥布置，第二磁铁23在自身重力和第一磁铁21斥力的作用下实现悬浮。两块基板24分别连接在第二磁铁23的上表面和下表面，每块基板24分别滑动安装在多根立柱22上。线圈25安装在底板11的内表面上且设置于多根立柱22的周侧，多根立柱22均匀分布于第一磁铁21的周侧，线圈25也是设置于第一磁铁21的周侧。
其中，在本实施例中，第一磁铁21和第二磁铁23均选用圆形的铷铁硼磁铁，圆形具有很好的稳定性，相比于其他形状更适合振动场合，铷铁硼磁铁具有优异的磁性能。第一磁铁21和第二磁铁23的直径宜相同，第一磁铁21和第二磁铁23的厚度根据材料、尺寸、作用力等因素综合考虑进行设置，在本实施例中，第一磁铁21的厚度小于第二磁铁23的厚度。第一磁铁21和第二磁铁23还被沿磁场方向进行磁化，以提高电能输出。图中立柱22的数量为四根，四根立柱22呈方形布置。相应地，两块基板24均呈方形且四角开孔，两块基板24通过粘附的方式分别连接在第二磁铁23上表面和下表面。线圈25也呈方形，采用漆包铜线制成多层平绕式结构，线圈25的边长略大于第一磁铁21的直径。
本电磁发电模块20的工作原理：在外部机械触发下，第二磁铁23会通过基板24沿着立柱22滑动，基于法拉第电磁感应定律，线圈25内的磁通量随之发生变化，从而线圈25中产生交流电并输出。
由于电磁发电模块20的输出为低电压、高电流的交流电，需要对电压、电流以及极性进行调制，并对电能进行储存，才能满足使用需求。倍压整流储能模块30是为实现该需求所搭配的模块，用于将低电压、高电流的交流电转换成高电压、高电流的直流电，并进行储存。倍压整流储能模块30包括倍压整流电路和储能单元，倍压整流电路与储能单元和电磁发电模块20的线圈25电连接，倍压整流电路包括二极管和电容，二极管起到整流的作用，电容充当电荷泵，储能单元可选用电容或电池。
其中，在本实施例中，倍压整流电路和储能单元集成在电路板上，该电路板采用模块化封装，并安装在壳体10的底板11内表面上，见图1。由于电器元件参数的选择对倍压整流电路的输出性能具有重大影响，为保证输出性能，在本实施例中，二极管选用电压降为0.3V的锗二极管，电容选用电容值为100μF的铝电解电容，倍压整流电路选用六倍压整流电路，该六倍压整流电路能将电磁发电模块20的低电压、高电流(4.1V，24mA)的交流输出转换为高电压、高电流(24.3V，23.4mA)的直流输出。储能单元选用能瞬时充放电的电容，以满足自驱动的功能需求。
图3是单个摩擦发电单元41的结构示意图。
如图1和图3所示，摩擦发电模块40用于检测低频的横向机械振动，并输出电信号。摩擦发电模块40包括至少两个呈正交布置的摩擦发电单元41，在本实施例中，摩擦发电单元41的数量为两个，两个摩擦发电单元41分别安装在互相垂直的两块侧板12上。
每个摩擦发电单元41优选为单摆式单电极摩擦发电机，包括单摆组件和轨道组件，单摆组件用于在机械振动触发下做单摆运动，轨道组件用于与单摆组件配合进行摩擦。
单摆组件包括支撑轴411、摆臂412、质量块413、以及第一摩擦层414。支撑轴411垂直安装在所在侧板12的内表面上，两个摩擦发电单元41的支撑轴411的轴线呈正交布置，这里的正交包含共面和异面两种情况。摆臂412的上端与支撑轴411转动连接，摆臂412的下端安装质量块413，摆臂412可在支撑轴411的径向平面上摆动。质量块413由密度较大的材料制成，并且该材料不受磁铁的影响。第一摩擦层414包裹在质量块413的表面上，第一摩擦层414可选用动物皮毛、人类毛发或其他材料。
其中，在本实施例中，两个摩擦发电单元41的支撑轴411设置在同一平面上；摆臂412由两块扇形塑料板构成，两块扇形塑料板的圆心角端与支撑轴411转动连接，两块扇形塑料板的弧边端之间安装质量块413。质量块413呈圆柱形，相应地，第一摩擦层414呈圆柱套形。由于动物皮毛具有高密度、不易湿、起电性能好的特点，第一摩擦层414选用兔毛制成，其微观结构见图4，制备过程为：选择市面上可购买的整块兔毛，用小刀将其裁成适配质量块413的矩形，矩形的宽度为质量块413的高度，矩形的长度为质量块413的横截面周长，用理发器电推剪或其他工具均匀修剪兔毛的长度(即厚度)，本实施例中选取约1mm的厚度，用吹风机将兔毛完全吹干并吹去杂乱毛发，最后用梳子将兔毛梳理整齐，便制得第一摩擦层414，该制备方法简单易行，均为易操作的物理过程，不涉及任何化学刻蚀方法，基本保持了兔毛原本的特性。
轨道组件包括轨道415、缓冲层416、导电层417、以及第二摩擦层418。轨道415安装在所在侧板12的内表面上，轨道415具有与单摆组件运动配合的圆弧面。缓冲层416、导电层417、第二摩擦层418由下至上依次层叠地设置于轨道415的圆弧面上。其中，在本实施例中，轨道415选用塑料支架，缓冲层416选用海绵制成，导电层417选用双面导电胶带制成，第二摩擦层418选用聚四氟乙烯制成。
为保证摩擦发电单元41的单摆组件能够在外部机械振动下自由运动以响应机械触发，第一摩擦层414和第二摩擦层418之间设置有一定的径向间距，该径向间距宜为0.2～0.5mm，本实施例中优选为0.3mm。同时，为了保证第一摩擦层414和第二摩擦层418之间充分接触以获得稳定输出并提升性能，在单摆组件中设置了质量块413，在轨道组件中设置了缓冲层416。通过这两方面的设置，使摩擦发电单元41既能灵敏感应外部机械运动触发，又能稳定可靠输出，是后续机械振动传感的基础。
本摩擦发电单元41的工作原理：在外部机械触发下，单摆组件做摆动运动，基于摩擦起电和静电感应原理，单摆组件中的第一摩擦层414与轨道组件中的第二摩擦层418做接触——分离运动，并产生电信号。
图5是摩擦发电单元41响应外部振动产生电信号输出的工作原理示意图。
如图5所示，以摩擦发电单元41的单摆组件做单摆运动的一个周期作具体说明：参见图5(a)，单摆组件处于初始位置，可以看到，在外部振动到来之前，轨道组件的第二摩擦层418已被预先摩擦并带负电荷，在静电感应的作用下，第二摩擦层418下面的导电层417带等量的正电荷，并接地电位或等电位电路。参见图5(b)，当外部振动发生时，单摆组件在外力作用下做单摆运动，第一摩擦层414在质量块413带动下与第二摩擦层418开始接触，根据摩擦序列所显示的电子亲和力的差异，第一摩擦层414带正电荷，此时，为了平衡静电势，自由电子从地电位通过外部电路转移到导电层417，摩擦发电单元41在外电路中显示为脉冲电流输出。参见图5(c)，当单摆组件进一步运动时，此过程一直延续，直到第一摩擦层414运动到最高点与第二摩擦层418完全重合，此时达到新的静电平衡状态。参见图5(d)，之后，单摆组件在自身重力的作用下做反向的回摆运动，摩擦发电单元41在外电路中显示为方向相反的脉冲电流输出。参见图5(e)，当单摆组件进一步回摆时，此过程一直延续，直到单摆组件回到初始位置，此时完成一个运动周期。
脉冲触发模块50用于对摩擦发电模块40中的各个摩擦发电单元41输出的电信号进行处理，实现主动传感功能。脉冲触发模块50包括脉冲触发电路，脉冲触发电路与摩擦发电单元41的导电层417和倍压整流储能模块30的储能单元电连接，其中，摩擦发电单元41通过导电层417向脉冲触发电路输出触发信号，倍压整流储能模块30的储能单元为脉冲触发电路供能，实现本机械振动传感器的自驱动功能。在本实施例中，脉冲触发电路包括双D触发器、四双向模拟开关、限流电阻、以及触发指示LED灯，各个电器元件集成在电路板上，该电路板采用模块化封装，并安装在壳体10的底板11内表面上，见图1；选取摩擦发电单元41产生的脉冲电压输出作为触发信号，该脉冲电压输出充当上升沿来启动脉冲触发电路，实现报警功能。
综上，本自驱动机械振动传感器在外部机械触发下的工作过程：电磁发电模块20收集纵向的机械振动产生的机械能并输出交流电，其中，第二磁铁23通过基板24沿着立柱22上下滑动，使线圈25内的磁通量发生变化，线圈25中产生低电压、高电流的交流电并输出，输出的交流电经倍压整流储能模块30的倍压整流电路转换成高电压、高电流的直流电后，储存至储能单元，该储能单元为脉冲触发模块50的脉冲触发电路供能，如此实现了本自驱动机械振动传感器的自驱动功能。同时，摩擦发电模块40的两个摩擦发电单元41分别检测横向正交方向的机械振动，并输出电信号，其中，每个摩擦发电单元41的单摆组件做摆动运动，单摆组件的第一摩擦层414与轨道组件的第二摩擦层418做接触——分离运动并产生脉冲电压输出，该脉冲电压输出充当上升沿启动脉冲触发模块50的脉冲触发电路，如此实现了本自驱动机械振动传感器的主动传感功能，脉冲触发电路进行报警。
需要说明的是，“横向”和“纵向”仅是便于描述的相对概念，实际应用时需根据具体场景进行方向设置。这里给出一个实际应用场景，本自驱动机械振动传感器应用于大型机械传送带中进行振动检测：一方面，由于传送带自身具有粘弹性，在工作时不可避免地会产生纵向振动，另一方面，传送带在运行过程中，因托辊和输送带的相互作用及物料的冲击作用，输送带会发生横向振动，这种振动会加剧输送带与托辊的磨损，降低托辊轴承的寿命，造成散料并产生较大的噪音，因此输送带的横向振动会影响输送机运行的安全性，所以，在此应用场景中，用电磁发电模块20收集纵向振动机械能，用摩擦发电模块40检测横向振动。
此外，本实施例还对电磁发电模块20的性能进行了测试，具体说明请见下文。
采用往复电机模仿机械振动来测试电磁发电模块20收集机械能的表现，其中，往复电机的振动频率和幅度可以根据需要调节。图6(a)和(b)分别是往复电机振动幅度固定在7cm时，随着振动频率的增大，电磁发电模块20的开路电压和短路电流的输出情况。根据法拉第电磁感应定律，电磁发电模块20的开路电压和短路电流均与振动频率成正比，因此输出功率与振动频率的二次方成正比，而摩擦发电机的输出功率与振动频率的一次方成正比，所以电磁发电模块20在收集高频机械能方面更具优势，而摩擦发电机更适合收集环境中的低频机械能。图6(c)显示了电磁发电模块20的开路电压和短路电流与振动频率的函数关系曲线，可以看到，随着振动频率从1Hz增大到2Hz，开路电压和短路电流都展现出了相应的线性关系，在振动频率为2Hz时，开路电压为4.1V，短路电流为24mA，该实验结果较好地反映了前述结论。
图6(d)是电磁发电模块20的输出功率随外加负载的变化曲线，随着负载的增大，输出功率先增大后减小，当负载电阻值等于电磁发电模块20的内阻时，输出功率达到最大值。在本实施例中，电磁发电模块20的内阻为1kΩ，对应的输出功率为121.8mW。值得一提的是，电磁发电模块20的内部阻抗比较小，一般在kΩ级别，而摩擦发电机的内部阻抗一般在MΩ级别，这么高的内部阻抗很难与外部电子器件匹配，因此会造成不必要的能量损耗，这也是目前摩擦发电机作为能量收集装置亟待解决的问题之一。
为了展现本实施例中电磁发电模块20作为能量收集装置的性能，在往复电机振动幅度为7cm，频率为2Hz的条件下为电容充电，如图6(e)所示，电容值越小，相应的充电速率越快。本实验中，对于容值为6.8mF的铝电解电容，电磁发电模块20在60s时间内可将其电压从0V充到4.35V，高于一般小型电子器件的额定工作电压。进一步地，如图6(f)所示，用电磁发电模块20给1mF的铝电解电容充电，并驱动常用的温湿度计。当电压达到温湿度计的额定电压3V时，往复电机停止工作，电容为温湿度计供能。从图6(f)中可以看出，电容的充电速率很快，连接温湿度计后电压值缓慢下降，此时温湿度计正常工作，可以实时显示所处环境的温度和相对湿度值。由此，可以看出电磁发电模块20作为能源供应时所显示出的巨大优势。
本实施例对摩擦发电单元41的性能也进行了测试，具体说明请见下文。
采用型号为TSMV120-1S的线性马达提供不同的外部机械振动，图7(a)、(b)(c)分别显示了摩擦发电单元41在外部机械振动下的开路电压、短路电流、转移电荷量的输出情况。其中，外部机械振动的加速度a分别设置为2、4、6、8、10m/s2，用于表征外部机械振动的不同剧烈程度。
可以看到，在一方面，摩擦发电单元41的开路电压和转移电荷量显示出相同的变化趋势。当加速度比较小时(a＝2m/s2)，第一摩擦层414和第二摩擦层418无法充分接触，此时输出较小；当加速度逐渐增大时(a＝4、6、8m/s2)，第一摩擦层414和第二摩擦层418可以充分接触，在此范围内，开路电压和转移电荷量显示出稳定趋势。这一特性与理论部分相符合：开路电压和转移电荷量与第一摩擦层414和第二摩擦层418之间的接触面积有关，而与第一摩擦层414和第二摩擦层418之间接触——分离的速度无关。值得注意的是，当加速度进一步增大时(a＝10m/s2)，开路电压和转移电荷量会再次增大，这是因为加速度过大，此时摩擦发电单元41的单摆组件不是做单摆运动，而是做圆周运动。在另一方面，摩擦发电单元41的短路电流显示出不同的变化趋势。当加速度逐渐增大时，短路电流也逐渐增大。当加速度a＝8m/s2时，摩擦发电单元41的输出较为稳定，开路电压、短路电流和转移电荷量分别为12V、139nA和8nC。
图7(d)呈现了以加速度为自变量时，摩擦发电单元41的开路电压和短路电流的变化情况。如上所述，开路电压先增大，然后逐渐稳定，最后再次增大；短路电流逐渐增大并显示出良好的线性关系，经过软件线性拟合得出R2>0.99，最大分辨率为23.4nA·m-1·s2。由此可以得出，摩擦发电单元41是一种灵敏的外部机械振动传感器。
众所周知，湿度对于摩擦起电的影响很大。在生活中也有直观的感受，在较为干燥的冬季，触碰金属门把手、脱毛衣或与人接触，时不时会发生“触电”现象，而在较为湿润的夏季，则基本上不会发生。在本实施例中，为了显示第一摩擦层414选用兔毛作为摩擦材料的优越性，还检测了外部不同湿度对摩擦发电单元41(主要为开路电压)的影响。图7(e)和(f)均显示了当外部相对湿度逐渐增大时，摩擦发电单元41的输出基本不受影响，能保持稳定，甚至当相对湿度为40％时，输出略有提升。
还需要说明的是，电磁发电模块20本身拥有一个固有共振频率，该固有共振频率只由第一磁铁21和第二磁铁23的尺寸参数决定，当电磁发电模块20的固有共振频率和外界机械触发频率一致时，振动幅度最大。同样地，每个摩擦发电单元41本身也拥有一个固有共振频率，该固有共振频率只与摆臂412的长度有关，当摩擦发电单元41的固有共振频率和外部机械振动频率一致时，振动幅度最大。
本实施例还提供了一种机械振动监测方法，采用上述的自驱动机械振动传感器收集机械振动过程中一个方向振动产生的能量及监测与该方向正交方向的振动。
实施例的作用与效果
本实施例所涉及的自驱动机械振动传感器，因为耦合了电磁发电模块和摩擦发电模块，其中，电磁发电模块能收集一个方向的高频机械振动产生的能量，摩擦发电模块能检测其正交方向不正常的低频机械振动，二者分工明确，各司其职且互不影响，所述本自驱动机械振动传感器充分发挥了电磁发电模块在能量收集方面和摩擦发电模块在主动传感方面独特的优势，同时避免了其他研究中将摩擦发电机和电磁发电机耦合用于能量收集时出现的摩擦发电机能量密度过低的问题；因为搭配了倍压整流储能模块和脉冲触发模块，其中，倍压整流储能模块能将电磁发电模块输出的交流电转化成直流电并储存，脉冲触发模块由倍压整流储能模块供能且由摩擦发电模块输出的电信号触发。所以，本自驱动机械振动传感器实现了自驱动和主动传感报警功能。
为了避免在实际应用场景中可能会出现的交互的电场和磁场的干扰，电磁发电模块和摩擦发电模块均采用机械结构，并对其零件的形状、材料、位置等进行了专门设置，从而本自驱动机械振动传感器拥有更稳定和优异的工作表现，结构也更紧凑。
具体地，电磁发电模块的第一磁铁和第二磁铁优选用圆形的铷铁硼磁铁。电磁发电模块的立柱布置、基板的形状、线圈的形状均相对应地设计成方形。摩擦发电模块中的摩擦发电单元优选为单摆式单电极摩擦发电机，包括用于在机械振动触发下做单摆运动的单摆组件和与单摆组件配合进行摩擦的轨道组件，其中，单摆组件的第一摩擦层和轨道组件的第二摩擦层之间具有径向间距，单摆组件的质量块和轨道组件的缓冲层保证了第一摩擦层和第二摩擦层之间能充分接触，通过这两方面的设置，使摩擦发电单元既能灵敏感应外部机械运动触发，又能稳定可靠输出。第一摩擦层宜由具有高密度、不易湿、起电性能好的动物皮毛制成，一方面有益于摩擦发电机响应外部的机械触发，提高了输出性能和稳定性，另一方面减少了实际应用中外部环境湿度的影响，拓宽了本自驱动机械振动传感器的应用场景。第二摩擦层宜由聚四氟乙烯制成；支撑轴、摆臂、质量块、轨道均由不受磁铁影响的材料制成。
所搭配的倍压整流储能模块和脉冲触发模块很好地减少不必要的能量损耗、满足了实际应用的需求。还对倍压整流储能模块和脉冲触发模块进行了良好的防电磁屏蔽处理，使其工作更稳定。
另外，采用壳体封装电磁发电模块、倍压整流储能模块、摩擦发电模块、脉冲触发模块，能有效预防外部环境的干扰，使本自驱动机械振动传感器的性能稳定。其中，壳体用亚克力塑料板制成，具有较好的透明性，能方便获知脉冲触发模块的报警情况。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种自驱动机械振动传感器，其特征在于，包括：
电磁发电模块，用于收集一个方向的机械振动产生的能量，并输出交流电；
倍压整流储能模块，包括倍压整流电路和储能单元，所述倍压整流电路与所述电磁发电模块电连接，用于将所述电磁发电模块输出的交流电转化成直流电，所述储能单元与所述倍压整流电路电连接，用于储存所述倍压整流电路转化的直流电；
摩擦发电模块，包括至少两个摩擦发电单元，两个所述摩擦发电单元呈与所述电磁发电模块对应的机械振动方向正交布置，用于检测所述电磁发电模块对应机械振动方向的正交方向的机械振动，并输出电信号；以及
脉冲触发模块，包括脉冲触发电路，所述脉冲触发电路与各个所述摩擦发电单元电连接，并分别由各个所述摩擦发电单元输出的电信号触发，所述脉冲触发电路与所述储能单元电连接，并由所述储能单元供能。
2.根据权利要求1所述的自驱动机械振动传感器，其特征在于：
其中，所述电磁发电模块包括第一磁铁、多根立柱、第二磁铁、两块基板、以及线圈，
所述第一磁铁位置固定，
多根所述立柱分布在所述第一磁铁的周侧，
所述第二磁铁在重力和磁性斥力作用下悬浮于所述第一磁铁的正上方，
两块所述基板分别连接在所述第二磁铁的上表面和下表面，每块所述基板分别滑动安装在多根所述立柱上，
所述线圈设置于所述第一磁铁和多个所述立柱的周侧。
3.根据权利要求2所述的自驱动机械振动传感器，其特征在于：
其中，所述第一磁铁和所述第二磁铁均呈圆形。
4.根据权利要求3所述的自驱动机械振动传感器，其特征在于：
其中，所述立柱的数量为四根，四根所述立柱呈方形布置，
两块所述基板均呈方形且四角开有供所述立柱穿过的孔，
所述线圈呈方形且为多层平绕式结构。
5.根据权利要求2所述的自驱动机械振动传感器，其特征在于：
其中，所述电磁发电模块有一固有共振频率，该固有共振频率仅由所述第一磁铁和所述第二磁铁的尺寸决定。
6.根据权利要求1所述的自驱动机械振动传感器，其特征在于：
其中，每个所述摩擦发电单元为单摆式单电极摩擦发电机。
7.根据权利要求6所述的自驱动机械振动传感器，其特征在于：
其中，每个所述摩擦发电单元包括单摆组件和轨道组件；
所述单摆组件用于在机械振动触发下做单摆运动，所述单摆组件包括支撑轴、摆臂、质量块、以及第一摩擦层，
所述支撑轴位置固定且其轴线与所述电磁发电模块对应的机械振动方向垂直，两个所述摩擦发电单元的所述支撑轴的轴线呈正交布置，
所述摆臂的上端与所述支撑轴转动连接，所述摆臂的下端安装所述质量块，
所述第一摩擦层设置在所述质量块的表面；
所述轨道组件用于与所述单摆组件配合进行摩擦，所述轨道组件包括轨道、缓冲层、导电层、以及第二摩擦层，
所述轨道具有与所述单摆组件运动配合的圆弧面，
所述缓冲层、所述导电层、所述第二摩擦层由下至上依次层叠地设置于所述轨道的圆弧面上。
8.根据权利要求7所述的自驱动机械振动传感器，其特征在于：
其中，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层之间具有径向间距。
9.根据权利要求8所述的自驱动机械振动传感器，其特征在于：
其中，所述径向间距为0.2～0.5mm。
10.根据权利要求7所述的自驱动机械振动传感器，其特征在于：
其中，所述第一摩擦层由动物皮毛制成。
11.根据权利要求7所述的自驱动机械振动传感器，其特征在于：
其中，所述第二摩擦层由聚四氟乙烯制成。
12.根据权利要求7所述的自驱动机械振动传感器，其特征在于：
其中，所述支撑轴、所述摆臂、所述质量块、所述轨道均由不受磁铁影响的材料制成。
13.根据权利要求7所述的自驱动机械振动传感器，其特征在于：
其中，每个所述摩擦发电单元有一固有共振频率，该固有共振频率仅由所述摆臂的长度决定。
14.根据权利要求1所述的自驱动机械振动传感器，其特征在于：
其中，所述脉冲触发电路包括双D触发器、四双向模拟开关、限流电阻、以及触发指示LED灯。
15.根据权利要求1～14任一项所述的自驱动机械振动传感器，其特征在于：
其中，还包括：
壳体，内部安装所述电磁发电模块、所述倍压整流储能模块、所述摩擦发电模块、以及所述脉冲触发模块。
16.一种机械振动监测方法，其特征在于，采用权利要求1～15任一项所述的自驱动机械振动传感器收集机械设备振动过程中一个方向振动产生的能量及监测与该方向正交方向的振动。
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