CN220153735U - 一种基于摩擦纳米发电机的自供电振动传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于摩擦纳米发电机的自供电振动传感器，涉及振动传感器技术领域。本实用新型传感器包括摩擦纳米发电装置、摩擦纳米信号采集装置、储能装置。摩擦纳米发电装置包括包括弹簧、中心轴、旋转圆盘、螺旋形状的上下极板、第一介电薄膜、第一正电极和第一负电极；摩擦纳米信号采集装置包括第二介电薄膜、第二正电极和第二负电极，第二介电材料薄膜与第二正负电极均为矩形，第二介电材料薄膜紧贴于第二正电极下方。储能装置包括整流电路和电容器。本实用新型的自供电传感器将振动的机械能转化为电能，不需要外部电源，传感器输出的电压信号与振动加速度成正比关系，可以时时不间断地监测机械设备的振动状态，具有广泛的应用价值。

Description

一种基于摩擦纳米发电机的自供电振动传感器

技术领域

本实用新型属于振动传感器技术领域，特别是涉及一种基于摩擦纳米发电机的自供电振动传感器。

背景技术

振动测试是大型机械状态监测和故障诊断中非常重要的手段，振动测试有对位移、速度和加速度的测量，其中加速度信号因其含有最丰富的振动信号，因而加速度振动传感器被广泛应用，振动信号可以反映在发电机、电动机以及其他大型旋转机械工作时的运行状态，及时发现故障，避免经济上的损失，通过振动特征也可以预估设备的寿命。

振动传感器主要有压电式振动传感器和光纤式振动传感器。压电传感器结构简单安装方便，但是输出信号小，需要接前置放大器进行阻抗变换和电荷的放大，并且在电磁场环境较为复杂的环境中有严重的电磁干扰问题，难以实现传感的目标；光纤传感器输出受温度影响大，且受到机械结构的限制。

摩擦纳米发电机因能量转化效率高、结构简单、成本低等优点，可以打破传统需要外部供电的传感器因布线或更换电池所受的限制，在自供电智能传感领域应用潜力巨大。TENG发电机的性能很大程度上受到摩擦产生的电荷量和电荷转移效率的影响。传统的接触分离模式一般用于垂直方向运动中能量的收集，只有两种介电材料相互接触时才会产生电荷，发电效率较低。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种具有发电效率较高的基于摩擦纳米发电机的自供电振动传感器，具体是通过摩擦纳米发电装置收集振动能量，其中摩擦纳米发电装置将振动转化为滑动摩擦，提高了电荷转移效率，增大了电能的输出，其与储能单元相结合，实现了传感系统的自供电，以解决以上问题。

为解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型的一种基于摩擦纳米发电机的自供电振动传感器，包括壳体、四个摩擦纳米发电装置、位于中心的摩擦纳米信号采集装置、储能装置；

所述摩擦纳米发电装置用于将机械能转换为电信号，为传感器和信号处理装置供电；所述储能装置包括整流电路和电容器，用于储存所述摩擦纳米发电装置输出的电能，所述摩擦纳米信号采集装置用于测量垂直于极板方向的振动加速度。

进一步地，所述摩擦纳米发电装置对称位于壳体内部的四角，有支撑作用，包括弹簧、中心轴、旋转圆盘、螺旋形状的上极板和下极板、第一介电薄膜、第一正电极和第一负电极，所述第一正电极和第一负电极是矩形，固定在螺旋状的上极板和下极板上；所述第一介电薄膜为矩形，位于所述上极板和下极板的下方；所述旋转圆盘与螺旋状上极板固定，使上极板随旋转圆盘的转动而转动；所述弹簧固定在中心轴上；

所述摩擦纳米信号采集装置包括第二介电薄膜、第二正电极和第二负电极，第二介电薄膜与第二正电极、第二负电极均为矩形，第二介电薄膜紧贴于第二正电极下方。

进一步地，所述第二正电极与第二负电极相互平行安装，之间的距离设置遵循：在弹簧压缩到最大限度前保证第二正电极下方的第二介电薄膜与第二负电极已经产生有效接触。

进一步地，所述第一介电薄膜、第二介电薄膜上均设有纳米级至微米级的微凸起结构。

进一步地，所述第一介电薄膜、第二介电薄膜采用PTFE膜。

进一步地，所述第一正电极、第一负电极、第二正电极和第二负电极均采用铝材质。

进一步地，所述第一介电薄膜的面积小于第一正电极、第一负电极的面积。

本实用新型相对于现有技术包括有以下有益效果：

(1)本实用新型的一种基于摩擦纳米发电机的自供电振动传感器通过摩擦纳米发电装置收集振动能量，其中摩擦纳米发电装置将振动转化为滑动摩擦，提高了电荷转移效率，增大了电能的输出，其与储能单元相结合，实现了传感系统的自供电。

(2)本实用新型利用摩擦纳米信号采集装置，得到被测对象的振动加速度信号，结合信号处理单元，可以实现对被测对象的长期时时监测。

当然，实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一种基于摩擦纳米发电机的自供电振动传感器的结构示意图；

图2为本实用新型的摩擦纳米发电装置的结构示意图；

图3为本实用新型一种基于摩擦纳米发电机的自供电振动传感器的使用流程图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-壳体；2-摩擦纳米发电装置；3-第二正电极；4-第二负电极；5-第二介电薄膜；6-旋转圆盘；7-上极板；8-第一正电极；9-第一负电极；10-底座；11-固定件；12-中心轴；13-弹簧；14-第一介电薄膜；15-下极板；16-储能装置。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“内”、“垂直”、“底部”、“上部”、“下部”、“中心”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件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实用新型的限制。

请参阅图1-2所示，图1为本实用新型一种基于摩擦纳米发电机的自供电振动传感器的结构示意图；图2为本实用新型的摩擦纳米发电装置的结构示意图；本实用新型的一种基于摩擦纳米发电机的自供电振动传感器，包括壳体1、位于壳体1内部四角位置分别垂直的摩擦纳米发电装置2、位于中心的摩擦纳米信号采集装置、储能装置16；摩擦纳米发电装置2用于将机械能转换为电信号，为传感器和信号处理装置供电；储能装置16包括整流电路和电容器，用于储存所述摩擦纳米发电装置2输出的电能，摩擦纳米信号采集装置用于测量垂直于极板方向的振动加速度。

其中，摩擦纳米发电装置2对称位于壳体1内部的四角，有支撑作用，包括垂直设置于底座10上的中心轴12、套设于中心轴12上方的旋转圆盘6、套设于中心轴12下部带有限位中心孔的固定件11、套设于中心轴12上的弹簧13、固定连接于旋转圆盘6底部呈螺旋形状的上极板7、固定连接与底座10上且呈螺旋状与上极板7相切布置的下级板15、固定于螺旋状的上极板7下侧的第一正电极8、固定于螺旋状的下级板15上侧的第一负电极9、设置于第一正电极8下方且与下级板15上端相连的第一介电薄膜14；弹簧13上端与固定件11底部相连且下端与底座10相连；上极板7随旋转圆盘6的转动而转动；

摩擦纳米信号采集装置包括第二介电薄膜5、第二正电极3和第二负电极4，第二介电薄膜5与第二正电极3、第二负电极4均为矩形，第二介电薄膜5紧贴于第二正电极3下方；第二正极3、第二介电薄膜5依次设置于储能装置16下部。

储能装置16包括承载板、整流电路和电容器，承载板通过定位孔与四角位置的中心轴12套接限位并随旋转圆盘6升降而升降，承载板压贴于旋转圆盘6上表面，并接受摩擦纳米发电装置2所产生的交流信号，通过整流电路整流为直流，接入电容器中实现电能存储，用于后续的信号处理、信号传输提供电能；

其中，第二正电极3与第二负电极4相互平行安装，第二正电极3与第二负电极4之间的间距遵循：在弹簧13压缩至最大限度前保证上极板7的第二介电薄膜5与第二负电极4已产生有效接触。

其中，第一介电薄膜14、第二介电薄膜5上均设有纳米级至微米级的微凸起结构。

其中，第一介电薄膜14、第二介电薄膜5采用PTFE膜。

其中，第一正电极8、第一负电极9、第二正电极3和第二负电极4均采用铝材质。

其中，第一正电极8和第一负电极9为矩形，第一介电薄膜14为矩形，第一介电薄膜14的面积小于第一正电极8、第一负电极9的面积；

本实用新型的一种基于摩擦纳米发电机的自供电振动传感器垂向安装在被测对象上，当被测对象振动时，传感器中间主体部分实现两个基于摩擦纳米发电原理的过程：由于振动，摩擦纳米发电装置2的弹簧13发生形变，中间的摩擦纳米信号采集装置的第二介电薄膜5与第二负电极4做周期性的接触分离运动，介电薄膜材料与电极材料相互接触时，由于电负性不同会发生电子转移。基于摩擦起电原理，电子从电负性较弱的材料转移到电负性较强的材料表面，第二介电薄膜5上有电子的积累，当完全接触时，材料表面电势达到平衡，外电路没有电子流动。由于静电感应，第二介电薄膜5背侧的第二正电极3感应出相异的电荷。在第二介电薄膜5与第二负电极4分离的过程中，电势平衡被打破，在两个电极之间形成电势差，外电路中电子流动形成相反的电势差来平衡电场，从而外电路中有电流产生。

本实用新型的一种基于摩擦纳米发电机的自供电振动传感器在不同的振动状态下会输出不同的电信号，以此作为传感信号输出，由加速度信号本身以及经过数据处理得到的振动频率信号和振幅信号，可以得到较为完整的振动信息，以此可以分析被测对象的振动状态和运行工况。

本实用新型的一种基于摩擦纳米发电机的自供电振动传感器的摩擦纳米发电装置2位于传感器的内部的四角，当外部发生振动时，由于惯性力，弹簧13会发生形变，重复性地压缩和伸展，相应地，在压缩过程中，弹簧13带动旋转圆盘6与上极板7这个整体做螺旋转动，上极板7与下极板15发生滑动摩擦并且渐渐重合，此时由于摩擦起电原理，第一介电薄膜14与第一负电极9之间发生电子转移。当两摩擦层完全重合时，第一正电极8与第一负电极9之间不存在感应电势差，外电路中无电流，当弹簧13压缩到最大限度之后，开始伸展，两个摩擦层进入分离过程，分离过程中电极间产生电势差，驱动电子流动，外部有电流产生。通过以上过程的重复，摩擦纳米发电装置2将垂直方向的振动转变为滑动摩擦，提高了电荷转移效率，进一步提高了输出功率，在振动过程中可以持续输出电能。

本实用新型的一种基于摩擦纳米发电机的自供电振动传感器的储能装置16由整流电路和电容器构成，整流电路将产生的交流信号整流为直流电，接入电容器中，实现电能的存储，为后续的信号处理、信号传输提供电能，使传感器在不需搭载外部电源的情况下，实现完整的监测被测对象振动状态的功能，具有更好的实用性。

本实用新型的一种基于摩擦纳米发电机的自供电振动传感器的工作流程图如图3所示，传感器受到外部振动时，摩擦纳米发电装置2与摩擦纳米信号采集装置同时输出电信号，摩擦纳米发电装置2产生的电信号接入储能装置16为整个系统供电，摩擦纳米信号采集装置的电信号接入处理器，经滤波、积分器与信号分析后再显示屏输出波形和数值。后还可加入判断程序与报警环节，在振动信号超出正常工作区间时发出警报。

以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (4)

1.一种基于摩擦纳米发电机的自供电振动传感器，包括壳体(1)、四个摩擦纳米发电装置(2)、位于中心的摩擦纳米信号采集装置、储能装置(16)；

所述储能装置(16)包括整流电路和电容器；所述摩擦纳米发电装置(2)对称位于壳体(1)内部的四角，有支撑作用，包括弹簧(13)、中心轴(12)、旋转圆盘(6)、螺旋形状的上极板(7)和下极板(15)、第一介电薄膜(14)、第一正电极(8)和第一负电极(9)，所述第一正电极(8)和第一负电极(9)是矩形，固定在螺旋状的上极板(7)和下极板(15)上；所述第一介电薄膜(14)为矩形，位于所述上极板(7)和下极板(15)的下方；所述旋转圆盘(6)与螺旋状上极板(7)固定，使上极板(7)随旋转圆盘(6)的转动而转动；所述弹簧(13)固定在中心轴(12)上；

所述摩擦纳米信号采集装置包括第二介电薄膜(5)、第二正电极(3)和第二负电极(4)，第二介电薄膜(5)与第二正电极(3)、第二负电极(4)均为矩形，第二介电薄膜(5)紧贴于第二正电极(3)下方。

2.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的自供电振动传感器，其特征在于：所述第二正电极(3)与第二负电极(4)相互平行安装，之间的距离设置遵循：在弹簧(13)压缩到最大限度前保证第二正电极(3)下方的第二介电薄膜(5)与第二负电极(4)已经产生有效接触。

3.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的自供电振动传感器，其特征在于：所述第一介电薄膜(14)、第二介电薄膜(5)上均设有纳米级至微米级的微凸起结构。

4.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的自供电振动传感器，其特征在于：所述第一介电薄膜(14)的面积小于第一正电极(8)、第一负电极(9)的面积。