一种基于摩擦纳米发电机的薄膜振动传感器

1.本发明属于利用摩擦纳米发电技术领域，涉及一种基于摩擦纳米发电机的振动传感器。


背景技术：

2.近年来，各种机械设备层出不穷，基础设施结构在环境动力载荷作用下存在长期持续性振动现象，将结构振动机械能收集转化为电能，有望为感知系统持续供能，从而实现结构运营期服役状态的全时无源感知。振动可以作为检测机械工作状态的一项重要指标，振动能量收集已成为能量收集技术的一大研究热点。振动传感作为一种最通常的感知方式，在物体状态识别感知方面展现出了极大的优越性。
3.经过几十年的发展，采集振动能的技术有电磁发电技术、压电发电技术和静电感应技术。然而电磁发电技术系统复杂，质量大，笨重，因此不适用于设备状态检测；压电发电技术成本高，发电量小，发电量很难被收集利用；静电感应技术需启用电源，电量小，也很难收集利用。因此，新的振动能采集技术的研究刻不容缓。
4.摩擦纳米发电机是一种基于摩擦起电和静电感应原理的新型能源采集技术，可有效地将低频低振幅的机械能转化为电能。而且，teng输出的电信号(电压、电流和转移电荷量)可以用作环境监测的信号，从而teng可以作为自驱动传感器使用，实现对环境的监测和传感器的电源供给。所以，使用teng采集设备、仪器的振动能量，是未来微纳能源的重要发展方向。


技术实现要素：

5.为了解决机械设备微小振动能不便于监测与收集的问题，本发明提供本发明采用的技术方案是：一种基于摩擦纳米发电机的振动传感器，包括：
6.起到介电作用的薄膜层；
7.位于所述薄膜层的上方，用于传导电的第一导电层；
8.位于所述薄膜层的下方，用于传导电的第二导电层；所述薄膜层的边缘与所述第二导电层的边缘固定连接；
9.位于所述第二导电层的下方，用于传导振动的振动传导层；
10.所述振动传导层的边缘与所述第二导电层的边缘固定连接。
11.进一步地：所述薄膜层采用的全氟乙烯丙烯共聚物薄膜。
12.进一步地：所述第一导电层采用油墨层，所述油墨层通过将油墨均匀涂刷在所述全氟乙烯丙烯共聚物薄膜的上层形成。
13.进一步地：所述第二导电层采用导电织物。
14.进一步地：所述振动传导层采用均匀设置穿孔的支撑板，所述支撑板采用绝缘材料3d打印pla制成。
15.进一步地：所述薄膜层与所述第一导电层及第二导电层，三者形状相同，所述薄膜
层优选正方形。
16.进一步地：所述薄膜层的面积小于第二导电层的面积，所述第一导电层的面积小于所述薄膜层的面积。
17.进一步地：还包括用于连接所述第一导电层和第二导电层的导线。
18.进一步地：还包括黏贴在所述在所述第一导电层的上部中间位置用于增加所述薄膜层和所述第一导电层接触分离力的质量块，所述质量块采用片状金属。
19.一种自供能装置，包括：整流电路和所述的基于摩擦纳米发电机的薄膜振动传感器；所述整流电路和所述薄膜振动传感器电连接。
20.本发明提供的一种基于摩擦纳米发电机的振动传感器，利用摩擦起电和静电感应产生电信号，当振动设备未发生振动时，发电单元内部之间不会发生接触分离产生感应电荷；而在振动设备产生振动时，传感器将发生同时产生振动，进而带动发电单元内部刷有油墨的fep薄膜和导电织物之间发生微观接触分离，由于两者之间电负性的差异，导电油墨层失去电子带正电，fep薄膜得到电子带负电，当设备停止振动过后，传感器也随之恢复稳定，本发明与现有技术相比的有益效果是：
21.(1)本发明所设计的基础发电单元，由刷有导电油墨的fep薄膜和导电织物构成，与其他小球振动的振动能收集装置相比，结构更加小巧，便于安装在各种空间已监测振动；
22.(2)对于各种机械设备振动的复杂环境，可以通过将多个本振动装置构成阵列以实现对复杂环境的有效感知；
23.(3)正方形的形状使得装置的可集成性更好，通过集成，实现了增加基础发电单元即可有效提升电能输出。
24.(4)采取简易的fep薄膜结构，制作更为简单，成本更低。
25.(5)该装置结构小巧简单，方便在各种振动场合使用。
26.(6)本发明可以直接给传感器进行供电，在配备超级电容器或电池组成自充电能量系统后，直接收集振动能，无需体积较大的能量管理电路，就能够持续不断的驱动各种传感设备及机械装置。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1是本发明一种基于摩擦纳米发电机的薄膜振动传感器整体结构示意图；
29.图2是本发明一种基于摩擦纳米发电机的薄膜振动传感器振动示意图；
30.图3是本发明一种基于摩擦纳米发电机的仿生触觉传感器中发电单元剖析图；
31.图4是本发明一种基于摩擦纳米发电机的薄膜振动传感器自供能发电原理图。
32.图中：1、支撑基座，2、振动传导层，3、第二导电层，4、薄膜层，5、第一导电层，6、质量块。
具体实施方式
33.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
34.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
36.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
37.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
38.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
39.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
40.图1是本发明一种基于摩擦纳米发电机的薄膜振动传感器整体结构示意图；
41.图2是本发明一种基于摩擦纳米发电机的薄膜振动传感器振动示意图；
42.图3是本发明一种基于摩擦纳米发电机的仿生触觉传感器中发电单元剖析图；
43.一种基于摩擦纳米发电机的薄膜振动传感器，设置在振动设备上：该振动传感器包括：薄膜层4、第一导电层5、第二导电层3和振动传导层2；
44.所述薄膜层4起到的是介电作用，发电性能好；
45.所述第一导电层5位于所述薄膜层4的上方，用于电的传导；
46.所述第二导电层3位于所述薄膜层4的下方，用于电的传导也作为摩擦材料；所述薄膜层4的边缘与所述第二导电层3的边缘固定连接；
47.所述振动传导层2用于振动的传导；位于所述第二导电层3的下方，
48.所述振动传导层2的边缘与所述电织物层3的边缘固定连接。
49.到外部振动时，所述薄膜层4与薄膜层4不断接触和分离，从而产生相对摩擦使所述薄膜层4带负电，导电织物3带正电，进而产生电势差，外接外部电路后可在振动的条件下产生电流；外部电路可采用整流电路；
50.在所述振动传导层2的下方设置支撑基座1；所述支撑基座1采用绝缘材料3d打印pla制成；
51.所述薄膜层4采用的全氟乙烯丙烯共聚物薄膜fep。
52.所述第一导电层5采用油墨层，所述油墨层通过将油墨均匀涂刷在所述全氟乙烯丙烯共聚物薄膜的上层形成，所述全氟乙烯丙烯共聚物薄膜电极的外表面进行纳米处理。
53.所述第二导电层3采用导电织物，导电织物3为电负性强、得电子能力强的高分子聚合材料，
54.所述振动传导层2采用均匀设置穿孔的支撑板，所述支撑板采用绝缘材料3d打印pla制成。均匀设置穿孔的目的是使振动能够更好的被所述薄膜层4感知到；以便监测到更多的振动能量以及更大的发电量。
55.所述薄膜层4与所述第一导电层5及第二导电层3，三者形状相同，所述薄膜层4优选正方形，便于集成，有效地提高了空间利用率。
56.所述薄膜层4的面积小于第二导电层3的面积，所述第一导电层5的面积小于所述薄膜层4的面积，装置的第一导电层5不完全覆盖薄膜层4，以防止第一导电层5与第二导电层3相互接触引起短路
57.进一步地，还包括用于连接所述第一导电层5和第二导电层3的导线，从而实现电能输出
58.进一步地，为保证装置在实际环境中拥有良好的振动状态，还包括黏贴在所述在所述第一导电层的上部中间位置用于增加所述薄膜层和所述第一导电层接触分离力的质量块6，所述质量块6采用片状金属，所述片状金属可以是铁片；所述质量块6使薄膜层4和第二导电层3之间形成更好的振动，采用质量块6调整配重，使质量块中心与振动中心重合，保证装置保持良好的振动状态。
59.图4是本发明一种基于摩擦纳米发电机的薄膜振动传感器自供能装置发电原理图。
60.一种自供能装置，包括：整流电路和摩擦纳米发电机的薄膜振动传感器；所述整流电路一端和所述薄膜振动传感器电连接；所述整流电路另一端与其他传感装置相连接，基于摩擦纳米发电机的薄膜振动传感器产生的电能通过导线传输至整流电路整流后为所述
其他传感装置提供电能。
61.船舶存在大量的废弃能量，船舶振动能最为广泛，船舶机械设备较多，大多存在明显的振动，虽然单点能量小，但是分布广，若是能够有效利用，采集船舶振动能可能会是解决传感器供电难题的关键技术。针对该应用场景，本文所述装置可用于收集这种振动能量，当设备发生振动时，基于摩擦纳米发电机的薄膜振动传感器与随之开始工作，实时将设备振动状况进行反馈，并收集能量。因此装置可持续将工作环境中的振动能持续转化为电能，为传感器供电，无需人工更换电池等操作，因此利用该装置可实现长续航工作，持续对目标装置振动情况进行检测。
62.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。