[发明专利]一种基于摩擦纳米发电机的自供电振动传感器

说明书

本发明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。本发明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。本发明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。

技术领域

本发明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。

发明内容

本发明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，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明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。