[发明专利]基于摩擦发电的压力传感器及压力传感系统

说明书

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，更具体地说，涉及一种基于摩擦发电的压力传感器及压力传感系统。

背景技术

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。

目前常用的压力传感器主要为电容式压力传感器和电阻应变式压力传感器。电容式压力传感器主要是静电容量型，例如将玻璃的固定极和硅的可动极相对而形成电容，将通过外力（压力）使可动极变形所产生的静电容量的变化转换成电气信号。但是，这种压力传感器存在输出阻抗高，负载能力差，易受外界干扰影响产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，输出特性非线性，寄生电容影响大的缺点。电阻应变式压力传感器是利用电阻应变片变形时其电阻也随之改变的原理进行工作，它的缺点是对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱。所以目前需要一种精度高，测量范围广，结构简单，抗干扰性能好的压力传感器。

采用摩擦技术构建的能量收集和转换装置，在自供电纳米系统中起关键作用。并且，由于其环保、节能、自驱动性质，受到了广泛关注。随着王中林教授研究组研发的压电摩擦发电机首次将机械能转换为电能以来，以压电和摩擦电为基础的不同结构和材料的摩擦发电机相继问世。但目前，将摩擦发电机应用于压力传感器的报道还没有出现。

发明内容

本发明的发明目的是针对现有技术的缺陷，提出一种精度高、结构简单和抗干扰性能良好的基于摩擦发电的压力传感器及压力传感系统。

本发明提供了一种基于摩擦发电的压力传感器，包括：

承压部件；

设置在所述承压部件的第一侧表面上的第一弹性基体，所述第一弹性基体具有规则的凸起结构；

覆盖在所述第一弹性基体上、与所述第一弹性基体的凸起结构相匹配而形成对应的结构的第一结构层；

底座；

以及设置在所述底座的第一侧表面上的第二结构层，所述第二结构层与所述第一结构层相对设置；

其中，所述压力传感器具有摩擦界面，当压力作用在所述承压部件上时，所述第一弹性基体和所述第一结构层发生形变使得所述摩擦界面的接触面积随着压力的增大而增大，所述第一结构层和/或所述第二结构层形成所述压力传感器的信号输出端。

本发明提供了一种压力传感系统，包括上述本发明提供的一种基于摩擦发电的压力传感器，还包括：

与所述基于摩擦发电的压力传感器的信号输出端连接的电容器，用于收集电量；

与所述电容器的输出端连接的模数转换器，用于将所述电容器输出的模拟电信号转换为数字电信号；

与所述模数转换器的输出端连接的微处理器，用于对所述模数转换器输出的数字电信号进行处理得到电压输出值和压力输出值；

与所述微处理器连接的输出接口，用于将所述电压输出值和压力输出值输出给外部设备。

本发明提供了另一种基于摩擦发电的压力传感器，包括：

承压部件；

设置在所述承压部件的第一侧表面上的第一结构层；

底座；

设置在所述底座的第一侧表面上的第二结构层；

位于所述第一结构层和所述第二结构层之间的居间层；

所述居间层包括：居间衬底层、设置在所述居间衬底层的第一侧表面上的第一弹性基体以及覆盖在所述第一弹性基体上的第一居间摩擦层；其中，所述第一弹性基体具有规则的凸起结构，所述第一居间摩擦层与所述第一弹性基体的凸起结构相匹配而形成对应的结构；

其中，所述压力传感器具有摩擦界面，当压力作用在所述承压部件上时，所述第一弹性基体和所述第一居间摩擦层发生形变使得所述摩擦界面的接触面积随着压力的增大而增大，所述第一结构层、第二结构层和第一居间摩擦层中的两者或三者形成所述压力传感器的信号输出端。

本发明提供了另一种压力传感系统，包括上述本发明提供的另一种基于摩擦发电的压力传感器，还包括：

与所述基于摩擦发电的压力传感器的信号输出端连接的电容器，用于收集电量；

与所述电容器的输出端连接的模数转换器，用于将所述电容器输出的模拟电信号转换为数字电信号；

与所述模数转换器的输出端连接的微处理器，用于对所述模数转换器输出的数字电信号进行处理得到电压输出值和压力输出值；