摩擦式发电加速度传感器的制作方法

本发明涉及用于一种基于摩擦发电技术的的加速度传感器装置。

背景技术：

加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器，在城市基础设施建设和管理中有着广泛的应用。目前常用的电容式加速度传感器由于电容的变化量正比于位移的平方，为实现高分辨率，需增大传感器的结构尺寸，限制了其应用；电阻式传感器面对较剧烈的震动状况时，输出线性度非常差，在测试中需要引入外界电路或者进行理论计算进行补偿才能实现准确测量。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种摩擦式发电加速度传感器，能够用于加速度的检测，并且无需额外提供能源，能够自驱动工作，同时还具备精度高、范围广的特点。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：摩擦式发电加速度传感器，包括屏蔽外壳，屏蔽外壳内设有一块能够在屏蔽外壳内沿其长度方向移动的第一基板，该第一基板的上下两个侧面设有极性相同的第一介电材料，屏蔽外壳的上下两个内表面上分别设有与第一基板上的介电材料极性相反的第二介电材料，第一介电材料和第二介电材料的大小和位置均一致，第一基板的左右两个侧面上设有弹簧，弹簧的另一端分别连接在屏蔽外壳的左右两个内表面上。

进一步地，第一介电材料是正极介电材料，第二介电材料是负极介电材料。

进一步地，第二介电材料设置在屏蔽外壳内表面的中部。

进一步地，弹簧分别连接在第一基板侧面和屏蔽外壳内表面的中部。

进一步地，该加速度传感器还包括测量电路，测量电路包括电线与测量装置，电线一端分别连接第一介电材料和第二介电材料，电线的另一端与测量装置相连，该测量电路集成在屏蔽外壳上。

摩擦式摩擦发电材料可以根据其力电转换特性，将环境荷载作用下所产生的机械能转化为电能，因此通过测量装置能够将加速度大小用电信号表示。摩擦式摩擦发电装置结构简单、易于加工制作、便于微型化和集成化，材料的能量采集和应用工作环境限制少、效率高、绿色环保，相关技术的开发利用将产生巨大的经济效益，为建设资源节约型社会提供助力，具有一定市场潜力和经济价值。

本发明的有益效果是：本发明将摩擦发电加速度传感器内置于屏蔽外壳，将环境动荷载引起的振动加速度转化为电信号表示，经过该装置中的信号处理和输出装置将数据输出。本发明无需使用外部电源，仅凭借装置本身就能产生电信号，是一种限制少、效率高、绿色环保的装置。相比于背景技术中的加速度传感器，摩擦式发电加速度传感器有着无需外接电源，测量分辨率高，测量范围广，结构简单等优点。

附图说明

图1是水平状态的摩擦式发电加速度传感器的结构图；

图2是图1的摩擦式发电加速度传感器受到环境荷载作用的运动状态1；

图3是图1的摩擦式发电加速度传感器受到环境荷载作用的运动状态2；

图4是竖直状态的摩擦式摩擦发电加速度传感器的结构图；

图5是竖直状态的加速度传感器调节第一基板位置的过程图，其中，δx为加速度传感器竖直状态时与水平状态对比下涂有正极材料的电极板埋入位置的偏移量，δx＝mg/2k。

图中标号：1-屏蔽外壳；2-第一基板；3-正极介电材料(分为3-1与3-2)；4-负极介电材料(分为4-1与4-2)；5-弹簧(分为5-1与5-2)；a(t)为在某时刻t，环境荷载作用下加速度传感器的加速度；x(t)为在某时刻t，负极材料4-1与正极材料3-1之间产生的相对位移(负极材料4-2与正极材料3-2之间产生的相对位移)；k为弹簧5的刚度；m为第一基板2与负极材料4(包括4-1与4-2)的质量和；l为电极板上涂有介电材料的长度；w为电极板上涂有介电材料的宽度。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体技术方案作进一步描述。

本发明的摩擦式发电加速度传感器结构如图1所示，基本结构为屏蔽外壳1，屏蔽外壳1内设有一块能够在屏蔽外壳1内沿其长度方向移动的第一基板2，该第一基板2的上下两个侧面设有极性相同的第一介电材料3，第一介电材料3是正极介电材料，第一介电材料3包括位于上方的正极材料3-1和位于下方的正极材料3-2，屏蔽外壳1的上下两个内表面上分别设有第二介电材料4，第二介电材料4是负极介电材料，第二介电材料4包位于上方的负极材料4-1和位于下方的负极材料4-2，第一介电材料3和第二介电材料4的大小和位置均一致，第一基板2的左右两个侧面上设有弹簧5，弹簧5包括位于左侧的弹簧5-1和位于右侧的弹簧5-2，位于左侧的弹簧5-1的另一端连接在屏蔽外壳1的左侧内表面上，位于右侧的弹簧5-2的另一端连接在屏蔽外壳1的右侧内表面上。

第二介电材料4位于屏蔽外壳1内表面的中部，弹簧5连接在屏蔽外壳1内表面以及第一基板2两个侧面的中部。

该加速度传感器还包括测量电路，测量电路包括电线与测量装置，电线一端分别连接第一介电材料和第二介电材料，电线的另一端与测量装置相连，该测量电路集成在屏蔽外壳上。。

本发明的摩擦式发电加速度传感器实现加速度测量原理如下：

本发明的摩擦式发电加速度传感器实现加速度测量原理如下：

以图1水平状态为例，装置测量加速度方向为水平方向。初始状态下，屏蔽外壳1和第一基板2上的电极板没有相对位移，且电极板接触面光滑，减少摩擦。当加速度传感器在环境荷载作用下，某一时刻t时，加速度为a(t)，其运动状态如图2所示，位于上方的负极材料4-1与位于上方的正极材料3-1之间产生相对位移x(t)，此时可以得到第一基板2的平衡方程：

2kx(t)＝ma(t)(1)

其中k为弹簧5的刚度，m为第一基板2与负极材料4(包括4-1与4-2)的质量和。

在摩擦式发电加速度传感器中，两种介电材料3-1(3-2)、4-1(4-2)的厚度分别为d1和d2，两者的相对介电常数分别为εr1和εr2。x(t)代表涂有两种介电材料的电极板之间的相对位移。当摩擦式发电装置工作时，x(t)从0到最大变化。当两个涂有介电材料的电极板无相对位移(即x(t)＝0)，电极板充电，两个涂有介电材料的电极板的表面获得相反的静电荷，具有相等的电荷密度σ(接触摩擦产生的电荷密度)。并且当两电极板产生相对位移时，电荷经外加电路产生电流。当负载电阻给定为r时，电压可表示为：

其中d0＝d1/εr1+d2/εr2，为介电材料的等效厚度，l为电极板上涂有介电材料的长度，w为电极板上涂有介电材料的宽度，ε0为真空介电常数。

其中电荷q的表达式为

该微分方程为一阶线性齐次微分方程，可得到电荷q的通解表达式q(t)，代入(1)两式，即可得到

联立(1)(4)式，可以得到电压v(t)与加速度a(t)在某时刻t存在映射a(t)→v(t)，即某时刻t，通过测量电压v(t)，能够得出此刻的加速度a(t)，从而通过测量电路将加速度大小表达为电信号。

当运动状态如图3所示，原理与上述相同。

以图4竖直状态为例，当装置测量加速度方向与水平线夹角为90°时，即为加速度方向为竖直方向时，如图5，竖直状态下的屏蔽外壳中的介电材料对比水平状态下的屏蔽外壳中的介电材料埋入位置偏移量为δx＝mg/2k，使得此时涂有介电材料的电极板之间无相对位移，平衡在测量加速度方向与水平线夹角为90°时产生的重力干扰。此状态下，测量原理与初始状态相同。