CN221325670U - 用于振动信号测量的自取能传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于振动信号测量的自取能传感器，属于振动测量领域，包括摩擦纳米发电装置、振动测量单元和数据处理单元；摩擦纳米发电装置设置在并联电抗器上，与振动测量单元连接，通过机械能的摩擦和运动产生电能，为振动测量单元供电；所述摩擦纳米发电装置包括摩擦电荷层、金电极和铜电极，金电极贴附在摩擦电荷层上表面，铜电极通过海绵连接在摩擦电荷层下方，所述海绵连接在摩擦电荷层下表面的外侧，金电极与铜电极之间通过导线连接；所述振动测量单元与数据处理单元电性连接，用于感应摩擦发电装置的振动，并将其转化为测量信号，发送给数据处理单元；所述数据处理单元对测量信号进行处理，提取出并联电抗器的振动数据。
Description
技术领域
本实用新型属于振动测量领域，涉及一种用于振动信号测量的自取能传感器。
背景技术
由于电抗器的工作环境复杂，其振动情况往往难以准确测量和监测。传统的振动传感器通常采用压电材料或电磁感应原理来测量振动信号。这些传感器需要外部电源供电，通过将振动信号转换为电信号来进行测量和分析。然而，传统振动传感器存在一些不足之处。
1、外部电源供电：传统振动传感器需要外部电源供电，这增加了安装和维护的复杂性。传感器的安装需要布线和连接电源，这可能需要额外的设备和工作，增加了安装的时间和成本。此外，外部电源的供应也可能受到限制，例如在远程或无源区域的应用中，传感器的使用受到限制。
2、有限的灵敏度：传统振动传感器的灵敏度有限，往往不能准确捕捉到微小振动信号。这可能导致测量结果的不准确，尤其是对于需要高精度测量的应用，如电力系统中的并联电抗器振动监测。传统传感器的灵敏度限制了对振动行为的深入理解和有效控制。
3、高成本：传统振动传感器的制造成本较高，这限制了其在大规模应用中的可行性和商业化发展。传感器通常使用特殊的材料和工艺制造，这增加了生产成本。此外，传统传感器的安装和维护也需要专业的技术和设备，进一步增加了成本。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种基于摩擦纳米发电机(TriboelectricNanogenerator,TENG)技术的振动自取能传感器，利用振动能量的收集和分析，通过合适的传感器和数据处理技术，实现对并联电抗器振动行为的准确测量和监测。
为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种用于振动信号测量的自取能传感器，包括摩擦纳米发电装置、振动测量单元和数据处理单元；
所述摩擦纳米发电装置设置在并联电抗器上，与振动测量单元连接，通过机械能的摩擦和运动产生电能，为振动测量单元供电；所述摩擦纳米发电装置包括摩擦电荷层、金电极和铜电极，所述金电极被电镀在摩擦电荷层上表面，所述铜电极通过海绵连接在摩擦电荷层下方，所述海绵连接在摩擦电荷层下表面的外侧，所述金电极与铜电极之间通过导线连接；
所述振动测量单元与数据处理单元电性连接，用于感应摩擦发电装置的振动，并将其转化为测量信号，发送给数据处理单元；
所述数据处理单元对测量信号进行处理，提取出并联电抗器的振动数据。
进一步，所述摩擦电荷层位聚四氟乙烯薄膜。
进一步，所述金电极上表面和铜电极下表面均通过支架连接有静电屏蔽层。
进一步，所述静电屏蔽层包括聚碳酸酯基底以及设置在所述基底上的透明氧化铟锡膜。
进一步，所述透明氧化铟锡膜上设有空气孔。
进一步，所述摩擦纳米发电装置还包括外壳，用于包裹整个装置。
本实用新型的有益效果在于：
1、减少能量损耗：传感器不需要外部电源供电，简化了安装和维护流程。传感器可以独立工作，不受外部电源供应的限制，适用于各种应用场景。
2、高灵敏度：通过优化传感器结构，使其具有更高的灵敏度。传感器能够准确捕捉并联电抗器的微小振动信号，提供更准确的测量结果。
3、低成本：本专利的传感器采用TENG技术，制造成本较低。传感器的制造过程相对简单，使用常见的材料和工艺，降低了生产成本。
4、实时监测和远程数据传输：传感器可以实时监测振动行为，并通过与网络和云平台的连接，实现数据的实时传输和存储。运维人员可以随时远程访问和分析数据，及时发现并解决电抗器振动问题，提高电力系统的稳定性和可靠性。
本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作优选的详细描述，其中：
图1为TENG装置的正面剖视图；
图2为TENG装置的组成示意图；
图3为TENG装置的工作原理图；
图4为注入不同工况的电场信号；
图5中(a)为工频工况电压信号输出频谱图，(b)为注入直流偏值信号输出频谱图，(c)为混合等幅奇次谐波信号输出频谱图，(d)为单次谐波工况信号输出频谱图。
附图标记：1-摩擦电荷层、2-金电极、3-铜箔、4-海绵材料、5-支架、6-ITO薄膜、7-空气孔。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本实用新型的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本实用新型实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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实用新型和简化描述，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1-2，本实用新型提供一种用于振动信号测量的自取能传感器，利用摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator,TENG)技术来解决现有技术存在的问题。TENG技术利用机械能的摩擦和运动来产生电能，将振动能量转化为电能供给传感器的工作。这一技术的应用使得传感器能够独立工作，并且具有更高的灵敏度和更低的成本。TENG装置通过机械能的摩擦和运动产生电能，为传感器供电。振动测量单元通过感应TENG装置的振动并将其转化为测量信号。传感器可以通过连接到网络和云平台，实现实时监测和远程数据传输。本自取能传感器包括以下组成部分：
1、TENG装置：通过机械能的摩擦和运动产生电能，为传感器供电。
2、振动测量单元：感应TENG装置的振动并将其转化为测量信号。
3、数据处理单元：对测量信号进行处理和分析，提取并联电抗器的振动数据。
TENG装置与振动测量单元通过连接关系相互配合，实现了自供电振动传感器的工作。TENG装置通过机械能的摩擦和运动产生电能，为振动测量单元供电。振动测量单元感应TENG装置的振动，并将其转化为测量信号。测量信号经过数据处理单元的处理和分析，提取出并联电抗器的振动数据。原理是利用TENG技术将振动能量转化为电能，并通过振动测量单元进行测量和分析。当并联电抗器发生振动时，TENG装置会感应到振动并产生电能。该电能将被传输到振动测量单元，经过转换和放大后，转化为测量信号。测量信号经过数据处理单元的处理和分析，提取出并联电抗器的振动数据。在本实施例中，振动测量单元和数据处理单元均采用现有技术，对振动数据的测量和处理不是本实施例的改进重心，是本领域的常规技术手段，不做过多描述。
在本实施例中，TENG装置为边长30mm，高为20mm的方形结构，体积为18cm3。柔软且具有较强电负性的聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene PTFE)薄膜被用作摩擦电荷层1，使用10000目砂纸打磨PTFE表面，制备纳米结构，以增强表面电荷密度，提高灵敏度。此外，由于PTFE具有绝缘特性，电极的一侧进行了镀金处理，以促进电子传输。使用海绵材料4分隔初始电荷层，并在振荡过程中起到缓冲作用，确保两种摩擦材料完全接触。铜箔3既充当摩擦材料，又作为电极。采用轻质的PTFE薄膜可以自由振动，而铜箔3的海绵结构有效增加了两者的接触面积，降低了振动薄膜上的空气阻尼。这样的设计改进显著提升了接触引起的电输出。
TENG装置的上方和下方固定了两层透明氧化铟锡(Indium Tin Oxid,ITO)膜，它们分别搭载在聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)基底上，以保护内部结构并展现特定的静电屏蔽效应。ITO是一种透明导电材料，具有卓越的光透过性和导电性。在TENG装置中，ITO薄膜6的作用是保护内部结构，同时提供电场屏蔽效果，防止外部干扰电场的影响，确保TENG装置性能的稳定。为了减少对柔性薄膜振动的干扰，ITO薄膜6上打了十个空气孔7，以平衡内外的气压，使振动过程中产生的交替气流得以自由循环。PET是一种具备优异机械性能和耐热性的聚合物材料。在TENG装置中，PET基底提供结构支撑和保护，确保TENG具备足够的稳定性和耐久性。所有其余的外壳和支架5均采用3D打印的PLA材料制造而成。
如图3所示，当TENG装置在电抗器振动被迫运动时，PTFE薄膜受到空气阻力，诱导PTFE薄膜与铜箔之间的压力发生周期性变化，导致PTFE薄膜反复振荡。当PTFE薄膜与铜箔接触时，两种薄膜表面的电子云发生重叠，部分来自铜箔的电子进入PTFE薄膜更深的电位井中。并且由于PTFE的电负性远高于铜箔3，铜箔3表面的自由电子转移到PTFE界面的最低未占据分子轨道上，因此PTFE薄膜带负电荷，而铜箔3变为正电性。由于PTFE薄膜上的气压始终与振动方向相反，当振源向上移动时，PTFE薄膜会受到向下的空气阻力而与铜箔接触。此时，PTFE薄膜从铜箔3中获得电子，并通过外部电路从金电极2流向铜箔3，形成电流。相反，当振源向下移动时，由于局域电场的电位差，PTFE膜将从铜箔3中分离出来，电流从PTFE流向金电极2。最后，PTFE薄膜回到原来的位置，电荷分布回到初始状态，完成了整个电力生成的一个循环。
TENG的电压输出由静电计测量，静电计将信号发送至计算机。在滤除噪声后，可以得到反映TENG实际输出振动的信号并显示在屏幕上。分别测量并联电抗器在工频正弦工况电磁振动、直流偏置下电磁振动、混合等幅奇次谐波工况电磁振动以及单次谐波工况的电磁振动，仅由TENG测得的电压信号以及频谱图如图4、5所示，从图中可以看出，TENG装置可以检测机械振动，并且振动细节都反映在时域信号和频域信号中。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种用于振动信号测量的自取能传感器，其特征在于：包括摩擦纳米发电装置、振动测量单元和数据处理单元；
所述摩擦纳米发电装置设置在并联电抗器上，与振动测量单元连接，通过机械能的摩擦和运动产生电能，为振动测量单元供电；所述摩擦纳米发电装置包括摩擦电荷层、金电极和铜电极，所述金电极被电镀在摩擦电荷层上表面，所述铜电极通过海绵连接在摩擦电荷层下方，所述海绵连接在摩擦电荷层下表面的外侧，所述金电极与铜电极之间通过导线连接；
所述振动测量单元与数据处理单元电性连接，用于感应摩擦发电装置的振动，并将其转化为测量信号，发送给数据处理单元；
所述数据处理单元对测量信号进行处理，提取出并联电抗器的振动数据。
2.根据权利要求1所述的用于振动信号测量的自取能传感器，其特征在于：所述摩擦电荷层位聚四氟乙烯薄膜。
3.根据权利要求1所述的用于振动信号测量的自取能传感器，其特征在于：所述金电极上表面和铜电极下表面均通过支架连接有静电屏蔽层。
4.根据权利要求3所述的用于振动信号测量的自取能传感器，其特征在于：所述静电屏蔽层包括聚碳酸酯基底以及设置在所述基底上的透明氧化铟锡膜。
5.根据权利要求4所述的用于振动信号测量的自取能传感器，其特征在于：所述透明氧化铟锡膜上设有空气孔。
6.根据权利要求1所述的用于振动信号测量的自取能传感器，其特征在于：所述摩擦纳米发电装置还包括外壳，用于包裹整个装置。
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