CN115435886A - 一种基于摩擦电的振动信号测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于摩擦电的振动信号测量方法，包括在振动源上依次设置下电极层、独立层、上电极层，独立层包括多个带负电的摩擦电介质，摩擦电介质通过外界振动在上、下电极层间进行移动形成E1、E2、E3三个电场，根据三个电场计算上、下电极层间的电势差，根据摩擦电介质在上下电极层间的可移动距离计算转移电荷量，根据电势差和转移电荷量构建最小可达到电荷参考状态下的发电方程，根据发电方程计算外界振动的峰值加速度。本发明振动信号测量精度高，具有完整的振动传感方程，输出的电压信号经快速傅里叶变化后的频率与振动频率的误差在1％以下。
Description
技术领域
本发明涉及振动与传感领域，尤其涉及一种基于摩擦电的振动信号测量方法。
背景技术
摩擦纳米发电技术是近几年新兴的技术，其代表产物摩擦纳米发电机往往具有低功率、微电流、高电压的特点。摩擦纳米发电机依据结构类型可以分为四种基本工作模式：单电极模式，垂直接触-分离模式，水平滑动模式，独立层模式。依据其收集能量的来源又可分为振动能收集，风雨能收集，生物能收集，海洋能收集。依据其应用场景，摩擦纳米发电技术主要可以作为某些低功耗传感器的供能器件，或本身可以作为一种自供能的传感器投入适用。
对于振动系统的状态监测，过去往往只是局限于通过外部电源给传统传感器供电来实现。而传统振动传感器依据工作原理可分为电涡流式振动传感器、电感式振动传感器、电容式振动传感器、压电式振动传感器、电阻应变式振动传感器等。而基于摩擦纳米发电技术所研制的振动传感器往往具有自驱动、成本低、免维护的优点，是当今科研工作者们研究的热点之一。然而，基于摩擦电技术的振动传感装置的研制技术还不够成熟，其传感精度和传感机理研究仍具有很大的提升空间。
发明内容
本发明提供一种基于摩擦电的振动信号测量方法，以克服上述技术问题。
一种基于摩擦电的振动信号测量方法，包括：
步骤1、在振动源上自下而上依次设置下电极层、独立层、上电极层，独立层包括多个带负电的摩擦电介质，所述摩擦电介质能够通过外界振动在上、下电极层间进行移动形成E1、E2、E3三个电场，E1为上电极层与独立层上表面之间的电场，E2为独立层内部的电场，E3为下电极层与独立层下表面之间的电场；
步骤2、根据E1、E2、E3计算上、下电极层间的电势差，根据摩擦电介质在上下电极层间的可移动距离计算转移电荷量；
步骤3、根据电势差和转移电荷量构建最小可达到电荷参考状态下的发电方程，根据发电方程计算外界振动的峰值加速度。
优选地，所述摩擦电介质为聚四氟乙烯球，下电极层、独立层、上电极层的表面积相同，下电极层、独立层、上电极层的表面积小于振动源的表面积，下电极层与上电极层的材质为铜膜，通过冲压技术上电极层、下电极层的表面形成凹坑，独立层内部包括多个孔，孔之间不连通，孔的数量与聚四氟乙烯球的数量相同，独立层的厚度大于聚四氟乙烯球的直径。
优选地，所述摩擦电介质通过外界振动在上、下电极层间进行移动形成E1、E2、E3三个电场包括根据公式(1)计算E1，根据公式(2)计算E2，根据公式(3)计算E3，
其中，ε0为真空介电常数，εr1为聚四氟乙烯的相对电介质常数，上电极层的电荷量为Q1,下电极层的电荷量为Q2，Q2＝2σs-Q1，s为摩擦电介质的上表面积，上表面积与下表面积相等均为s，且携带电荷密度相同，均为-σ。
优选地，所述根据E1、E2、E3计算上、下电极层间的电势差包括根据公式(4)计算电势差，
其中，d1为摩擦电介质的直径，x为摩擦电介质离开下电极层的位移，上下电极层间距为g+d1，g为空气间隙，s为摩擦电介质的上表面积，上表面积与下表面积相等均为s，且携带电荷密度相同，均为-σ，上电极层的电荷量为Q1,下电极层的电荷量为Q2，ε0为真空介电常数，εr1为聚四氟乙烯的相对电介质常数，d0为独立层的有效厚度常数，它的值等于介电层厚度与其相对电介质的比值。
优选地，所述根据摩擦电介质在上下电极层间的可移动距离计算转移电荷量包括根据公式(5)计算转移电荷量，
其中，上电极层的电荷量为Q1，x为摩擦电介质离开下电极层的位移，当x＝0时，摩擦电介质与下电极层的位移为0，Q为转移电荷量，s为摩擦电介质的上表面积，上表面积与下表面积相等均为s，且携带电荷密度相同，均为-σ，d0为独立层的有效厚度常数，它的值等于介电层厚度与其相对电介质的比值，g为空气间隙。
优选地，所述根据电势差和转移电荷量构建最小可达到电荷参考状态下的发电方程包括根据公式(6)、(7)、(8)、(9)构建最小可达到电荷参考状态下的发电方程，
其中，VOC为开路电压，QSC为短路转移电荷量，C为固定电容，ε0为真空介电常数，s为摩擦电介质的上表面积，上表面积与下表面积相等均为s，且携带电荷密度相同，均为-σ，d0为独立层的有效厚度常数，它的值等于介电层厚度与其相对电介质的比值，g为空气间隙，V为输出电压。
优选地，所述根据发电方程计算外界振动的峰值加速度包括根据公式(10)计算摩擦电介质相对于下电极层的运动距离，
其中，ε0为真空介电常数，σ为摩擦电介质上表面的电荷密度，x(t)为摩擦电介质相对于下电极层的运动距离，V为输出电压，t为时间，ap为振动的峰值加速度，
当摩擦电介质在上下电极层间做正弦运动时，根据公式(11)计算外界振动的峰值加速度，
其中，xmax为摩擦电介质相对于下电极层的最大运动距离，ap为外界振动的峰值加速度。
本发明提供一种基于摩擦电的振动信号测量方法，振动信号测量精度高，并具有完整的振动传感方程，输出的电压信号经快速傅里叶变化后的频率与振动频率几乎相等，误差在1％以下，可将该方法应用于振动传感装置，相较于传统振动传感装置，该装置能够自驱动，成本低，结构简便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明方法流程图；
图2是本发明弹跳球式振动传感电荷转移示意图；
图3是本发明弹跳球式振动传感数学模型图；
图4是本发明弹跳球式振动传感装置示意图；
图5是本发明弹跳球式振动传感装置结构尺寸图；
图6是本发明激振试验台示意图；
图7是本发明输入频率与输出频率误差图；
附图标号说明：
1、上盖板；2、上电极层；3、聚四氟乙烯球；4、独立层；5、下电极层；6、下盖板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明方法流程图，如图1所示，本实施例可以包括：
步骤1、在振动源上依次设置下电极层、独立层、上电极层，独立层包括多个带负电的摩擦电介质，还可以在下电极层下方设置下盖板，在上电极层上方设置上盖板，上、下盖板为亚克力板，亚克力板厚度约3.0～4.0mm，上、下电极层为铜膜，铜膜厚度约为0.08～0.12mm，摩擦电介质为聚四氟乙烯球(PTFE)，聚四氟乙烯球直径约3.2～3.4mm，聚四氟乙烯球又称为弹跳球，通过冲压技术使上、下电极层的表面形成凹坑，采用砂纸分别将上、下电极层的表面和聚四氟乙烯球的表面打磨成纳米化结构。
本发明的电荷转移模型示意图如图2所示，当受到外界振动时，弹跳球会在上下电极层间往复运动，交替接触上下电极层并发生电荷转移。当弹跳球与下电极层接触时，由于聚四氟乙烯这种材质具有电负性，会使得铜膜最外表面的电子转移到弹跳球上面。而随着弹跳球在外界激励作用下向上弹起，并带走刚刚“抢夺”而得的电子，使得该装置内部电场不断发生变化，在上下极板之间产生电势差。当弹跳球与上电极层接触的时候，同样会“抢夺”上电极层的电子，使得上述过程再次反向进行。由于外部电路的存在，也就使得电子通过导线发生转移，形成电流。整体上看，通过本实施例产生交流电信号，而电信号携带着待测振动系统的振动信息，最终达到待测振动系统的振动传感的目的。
本实施例子传感机理的数学模型图如图3所示，其中d1为弹跳球的直径，x为弹跳球离开下电极层的位移，上下电极层间距为g+d1，g为空气间隙，同样也是弹跳球可以移动的最大距离。当弹跳球与电极层接触时，会发生电荷转移。为了简化分析，弹跳球可以看成两块面积为s、间距为d1的电介质平行板组成，且携带电荷密度相同，均为-σ。由于电荷守恒，上下电极板所带正电荷量应与弹跳球的负电荷总量相等，为2σs。假设上电极电荷量为Q1,下电极电荷量为Q2，则Q2＝2σs-Q1。这样，在弹跳球和空气间隙内部就会存在垂直于带电平面的匀强电场，规定正方向指向上电极。
弹跳球通过外界振动在上、下电极层间进行移动形成E1、E2、E3三个电场，E1为上电极层与独立层上表面之间的电场，E2为独立层内部的电场，E3为下电极层与独立层下表面之间的电场，根据公式(1)计算E1，根据公式(2)计算E2，根据公式(3)计算E3，
其中，ε0为真空介电常数，εr1为聚四氟乙烯的相对电介质常数，上电极层的电荷量为Q1,下电极层的电荷量为Q2，Q2＝2σs-Q1，s为聚四氟乙烯球的上表面积，上表面积与下表面积相等均为s，且携带电荷密度相同，均为-σ。
步骤2、根据E1、E2、E3计算上、下电极层间的电势差包括根据公式(4)计算电势差，
其中，d1为聚四氟乙烯球的直径，x为聚四氟乙烯球离开下电极层的位移，上下电极层间距为g+d1，g为空气间隙，s为聚四氟乙烯球的上表面积，上表面积与下表面积相等均为s，且携带电荷密度相同，均为-σ，上电极层的电荷量为Q1,下电极层的电荷量为Q2，ε0为真空介电常数，εr1为聚四氟乙烯的相对电介质常数，d0为独立层的有效厚度常数，它的值等于介电层厚度与其相对电介质的比值。
根据摩擦电介质在上下电极层间的可移动距离计算转移电荷量包括根据公式(5)计算转移电荷量，
其中，上电极层的电荷量为Q1，x为聚四氟乙烯球离开下电极层的位移，当x＝0时，聚四氟乙烯球与下电极层的位移为0，Q为转移电荷量，s为摩擦电介质的上表面积，上表面积与下表面积相等均为s，且携带电荷密度相同，均为-σ，d0为独立层的有效厚度常数，它的值等于介电层厚度与其相对电介质的比值，g为空气间隙。
步骤3、根据电势差和转移电荷量构建最小可达到电荷参考状态下的发电方程包括根据公式(6)、(7)、(8)、(9)构建最小可达到电荷参考状态下的发电方程，
其中，VOC为开路电压，QSC为短路转移电荷量，C为固定电容，ε0为真空介电常数，s为聚四氟乙烯球的上表面积，上表面积与下表面积相等均为s，且携带电荷密度相同，均为-σ，d0为独立层的有效厚度常数，它的值等于介电层厚度与其相对电介质的比值，g为空气间隙，V为输出电压。式(6)还可以表达成以下方程：
式(10)用摩擦纳米发电机的固有电容属性解释。PTFE独立层在两电极间来回运动导致上下电极间的电势差不断变化，驱动电子在上下电极来回流动。所以，摩擦纳米发电机可以当作一个电容，电压驱动电子在外电路来回流动。两电极的电势差由两部分组成，一部分是摩擦电荷层之间产生的VOC，大小与摩擦层分离的距离x有关；另一部分是上下电极通过外部电路转移的电荷量Q而产生的一个大小为Q/C的反电势差。
当摩擦纳米发电机连接一个阻性负载时，R为电阻，式(10)可以写成：
上述方程是个一阶微分方程模型，在可达到最小电荷参考状态下，方程的边界条件Q(t＝0)＝0，式(11)可解得：
其中，ε0为真空介电常数，σ为聚四氟乙烯球上表面的电荷密度，x(t)为聚四氟乙烯球相对于下电极层的运动距离，V为输出电压，t为时间，ap为振动的峰值加速度，根据公式(11)计算摩擦电介质相对于下电极层的运动距离，
当摩擦电介质在上下电极层间做正弦运动时，根据公式(13)计算外界振动的峰值加速度，
其中，xmax为摩擦电介质相对于下电极层的最大运动距离，ap为外界振动的峰值加速度。
至此，获得该方法的V-Q-x方程，通过V-Q-x方程可知电压、电荷等电信号与位移等振动信号存在一定关系，此方程可以为振动传感器应用提供理论支持。
可将该方法应用于振动传感装置，装置结构如图4所示，包括1、上盖板，2、上电极层，3、聚四氟乙烯球，4、独立层，也称为聚乳酸巢壳层，5、下电极层，6、下盖板，上下盖板为亚克力板，上下电极层为铜膜，通过冲压技术使上下盖板、上下电极层的表面形成凹坑，采用砂纸分别将上下电极层和聚四氟乙烯球的表面打磨成纳米化结构，将聚四氟乙烯球的半径作为切割半径对聚乳酸材料进行圆形切割，将聚乳酸材料切割为均匀分布圆孔的聚乳酸巢壳层，根据上下盖板表面积与聚四氟乙烯球直径计算圆孔数量，本实施例中装置的柱形截面的半径为30.6mm，高度(厚度)为9.60mm，内置半径为3.3mm的聚四氟乙烯球的数量为36个，聚四氟乙烯球也称为弹跳球，其结构如图5所示，通过施加振动使聚四氟乙烯球在巢壳层的圆孔中进行上下反复移动，聚四氟乙烯球与上、下电极层交替接触产生电荷转移，形成电流，收集电信号并根据电信号获取振动信息。
对上述振动传感装置的试验验证过程如下：如图6所示，为该装置振动传感验证试验所搭建的试验台。该试验台由信号发生器(YE1311)，功率放大器(YE5872A)，激振器(JZK-10)，静电计(Keithley 6514)，数据采集装置(cDAQ-9174)等构成。该试验台由信号发生器产生并发送正弦波信号，经功率放大器放大后输送给激振器。在激振器上安置实施例的装置、加速度传感器等其它待测设备并用静电计收集其产生的电信号，用安装LabView软件的主机及采集卡进行数据记录。
将实施例的装置在具有可控激振试验台(下文简称试验平台)上进行实验验证，包括以下步骤，
步骤1、搭建试验平台，准备试验；
步骤2、依据激振器量程，设置激振器的试验工况为振幅2mm，依次调节信号发生器，使其频率依次为20，30，40，50Hz；
步骤3、用静电计测量各种工况下该振动传感装置的电压信号；
步骤4、用NI采集卡和LabView将数据进行采集分析；
步骤5、将各个工况电压信号经快速傅里叶变化后绘制成图以便分析，如图7所示为输入频率与输出频率误差图，经计算其误差小于1％。
整体的有益效果：本发明综合应用了摩擦纳米发电技术与振动传感技术，可以应用于传统振动机械系统的状态监测，解决了传感器长期使用过程中需要不断更换外界电源的问题，以及其他自供能传感器精度低，传感机理不清晰的问题。该方法不但从理论上进行了完备的可行性分析，同时也在具有激振测试功能的试验台装置上进行了验证，其所测得的振动频率误差在1％以下，提高振动检测精度。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种基于摩擦电的振动信号测量方法，其特征在于，包括：
步骤1、在振动源上自下而上依次设置下电极层、独立层、上电极层，独立层包括多个带负电的摩擦电介质，所述摩擦电介质能够通过外界振动在上、下电极层间进行移动形成E1、E2、E3三个电场，E1为上电极层与独立层上表面之间的电场，E2为独立层内部的电场，E3为下电极层与独立层下表面之间的电场；
步骤2、根据E1、E2、E3计算上、下电极层间的电势差，根据摩擦电介质在上下电极层间的可移动距离计算转移电荷量；
步骤3、根据电势差和转移电荷量构建最小可达到电荷参考状态下的发电方程，根据发电方程计算外界振动的峰值加速度。
2.根据权利要求1所述的一种基于摩擦电的振动信号测量方法，其特征在于，所述摩擦电介质为聚四氟乙烯球，下电极层、独立层、上电极层的表面积相同，下电极层、独立层、上电极层的表面积小于振动源的表面积，下电极层与上电极层的材质为铜膜，通过冲压技术上电极层、下电极层的表面形成凹坑，独立层内部包括多个孔，孔之间不连通，孔的数量与聚四氟乙烯球的数量相同，独立层的厚度大于聚四氟乙烯球的直径。
3.根据权利要求1所述的一种基于摩擦电的振动信号测量方法，其特征在于，所述摩擦电介质通过外界振动在上、下电极层间进行移动形成E1、E2、E3三个电场包括根据公式(1)计算E1，根据公式(2)计算E2，根据公式(3)计算E3，
其中，ε0为真空介电常数，εr1为聚四氟乙烯的相对电介质常数，上电极层的电荷量为Q1,下电极层的电荷量为Q2，Q2＝2σs-Q1，s为摩擦电介质的上表面积，上表面积与下表面积相等均为s，且携带电荷密度相同，均为-σ。
4.根据权利要求1所述的一种基于摩擦电的振动信号测量方法，其特征在于，所述根据E1、E2、E3计算上、下电极层间的电势差包括根据公式(4)计算电势差，
其中，d1为摩擦电介质的直径，x为摩擦电介质离开下电极层的位移，上下电极层间距为g+d1，g为空气间隙，s为摩擦电介质的上表面积，上表面积与下表面积相等均为s，且携带电荷密度相同，均为-σ，上电极层的电荷量为Q1,下电极层的电荷量为Q2，ε0为真空介电常数，εr1为聚四氟乙烯的相对电介质常数，d0为独立层的有效厚度常数，它的值等于介电层厚度与其相对电介质的比值。
5.根据权利要求1所述的一种基于摩擦电的振动信号测量方法，其特征在于，所述根据摩擦电介质在上下电极层间的可移动距离计算转移电荷量包括根据公式(5)计算转移电荷量，
其中，上电极层的电荷量为Q1，x为摩擦电介质离开下电极层的位移，当x＝0时，摩擦电介质与下电极层的位移为0，Q为转移电荷量，s为摩擦电介质的上表面积，上表面积与下表面积相等均为s，且携带电荷密度相同，均为-σ，d0为独立层的有效厚度常数，它的值等于介电层厚度与其相对电介质的比值，g为空气间隙。
6.根据权利要求1所述的一种基于摩擦电的振动信号测量方法，其特征在于，所述根据电势差和转移电荷量构建最小可达到电荷参考状态下的发电方程包括根据公式(6)、(7)、(8)、(9)构建最小可达到电荷参考状态下的发电方程，
其中，VOC为开路电压，QSC为短路转移电荷量，C为固定电容，ε0为真空介电常数，s为摩擦电介质的上表面积，上表面积与下表面积相等均为s，且携带电荷密度相同，均为-σ，d0为独立层的有效厚度常数，它的值等于介电层厚度与其相对电介质的比值，g为空气间隙，V为输出电压。
7.根据权利要求1所述的一种基于摩擦电的振动信号测量方法，其特征在于，所述根据发电方程计算外界振动的峰值加速度包括根据公式(10)计算摩擦电介质相对于下电极层的运动距离，
其中，ε0为真空介电常数，σ为摩擦电介质上表面的电荷密度，x(t)为摩擦电介质相对于下电极层的运动距离，V为输出电压，t为时间，ap为振动的峰值加速度，
当摩擦电介质在上下电极层间做正弦运动时，根据公式(11)计算外界振动的峰值加速度，
其中，xmax为摩擦电介质相对于下电极层的最大运动距离，ap为外界振动的峰值加速度。
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