基于弹性部件的电信号输出装置、定位装置以及定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电信号输出装置，特别涉及一种对振动极为敏感的、基于弹性部 件的电信号输出装置，以及基于该电信号输出装置的定位装置和利用该定位装置进行定位 的方法。
【背景技术】
[0002] 振动是生活环境中常见的机械现象，例如引擎的振动、桥梁建筑的振动，飞机的摆 动以及海浪的起伏等。在很多情况下，为了稳定结构和减少噪音，我们需要使用反振动的技 术，因此对于振动源进行灵敏地探测和精确定位具有很重要的意义。另外一方面，振动也是 一种能量。能量采集器是将环境中的能量转换为电能，研究者们从以下各个方面已经展开 过各种相应的工作，包括研究不同的换能方式，如压电式、静电式、电磁式，并提出了相应的 结构，如中国发明专利CN1877973A、CN101075773A、CN1652440A、CN1547312A。但是由于环 境中的振动能量一般都比较微弱，并且频率主要位于较低的频率范围，同时具有较宽的频 率分布范围，因此将目前的纳米发电机用于环境中机械振动的探测和能量收集时，有感测 灵敏度较低和能量转换效率不高的缺陷。
【发明内容】
[0003] 为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明的目的在于利用具有自平衡能 力且处于临界平衡状的机械结构，制备一种新型的电信号输出装置，以及基于该电信号输 出装置的定位装置、振源定位方法和振动监测方法。
[0004] 本发明首先提供一种基于弹性部件的电信号输出装置，包括：支撑部件、固定在所 述支撑部件内部的弹性部件、与所述弹性部件自由端相对固定的第一摩擦部件和与所述第 一摩擦部件面对面放置的第二摩擦部件，其特征在于：所述第一摩擦部件的下表面为第一 摩擦表面，所述第二摩擦部件的上表面为第二摩擦表面，两个摩擦表面相对，并且二者由具 有不同摩擦电极序的材料制备；所述第一摩擦部件的上表面为第一导电表面，所述第二摩 擦部件的下表面为第二导电表面，两个所述导电表面分别与电信号输出端的两端电连接；
[0005] 优选地，所述第一摩擦表面和第二摩擦表面在平衡状态下刚好接触；
[0006] 优选地，所述第一摩擦表面和第二摩擦表面选自绝缘材料、半导体材料和导电材 料；
[0007] 优选地，所述第一摩擦表面为导电材料，并且所述第一摩擦表面与第一导电表面 合二为一；或者，所述第二摩擦表面为导电材料，并且所述第二摩擦表面与第二导电表面合 二为一；
[0008] 优选地，所述第一摩擦表面，和/或，所述第二摩擦表面上，全部或部分分布有微 米或次微米量级的微结构；
[0009] 优选地，所述微结构选自纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微 米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由前述结构形成的阵列；
[0010] 优选地，所述第一导电表面和第二导电表面相同或不同，并且均选自金属或导电 氧化物；
[0011] 优选地，所述弹性部件具有螺旋结构；
[0012] 优选地，所述弹性部件选自等直径弹簧、直径渐变的锥形弹簧和直径不规则变化 的异型弹簧；
[0013] 优选地，所述弹性部件的杨氏模量为l_4GPa，泊松比为0. 3-0. 9 ;
[0014] 优选地，所述弹性部件通过顶部悬挂的方式固定在所述支撑部件的顶面；
[0015] 优选地，所述弹性部件通过底部自持的方式固定在所述支撑部件的底面；
[0016] 优选地，所述弹性部件与所述支撑部件之间紧密固定；
[0017] 优选地，所述弹性部件在所述支撑部件的支撑表面上直接制备；
[0018] 优选地，在所述第一摩擦部件和所述弹性部件之间还包括绝缘质量块，并且该绝 缘质量块与所述第一导电表面紧密贴合；
[0019] 优选地，所述支撑部件为一体化结构；
[0020] 优选地，所述支撑部件为全封闭结构，更优选通过一体成型工艺制备；
[0021 ] 优选地，所述支撑部件为柱形、锥形、锥台或球形。
[0022] 本发明还提供一种定位装置，用于对外界振动的振源进行定位，具体包括：2个以 上前述任一种电信号输出装置，电信号记录和分析装置，其中所述电信号记录和分析装置 能够记录电信号本身的数值以及电信号产生的时间；
[0023] 优选地，所述电信号输出装置中的支撑部件为底面为平面结构的柱形；
[0024] 优选地，所述弹性部件以顶部悬挂的方式固定在所述支撑部件的内部；
[0025] 优选地，所述电信号输出装置的数量为3个。
[0026] 本发明还提供一种基于上述定位装置的三点定位方法，其中需要3个所述电信号 输出装置，其特征在于包括如下步骤：
[0027] (1)将标记为STENG1、STENG2和STENG3的3个电信号输出装置分别固定在振动 传导表面的不同位置；
[0028] (2)采用多通道电信号记录和分析装置同时记录3个电信号输出装置的输出信 号；
[0029] (3)所述电信号记录和分析装置以3个电信号输出装置的中间位置作为坐标原点 建立平面坐标系，使得3个电信号输出装置分别置于该坐标系的不同象限；
[0030] (4)向所述电信号记录和分析装置分析中输入STENG1与STENG2的间距1以及 STENG1 与STENG3 的间距h;
[0031] (5)根据3个电信号输出装置产生电信号的时间差异，初步确定振源所处的象限；
[0032] (6)根据振源所处象限给出初值，利用下面的方程组进行迭代计算振源位置；
【主权项】
1. 一种基于弹性部件的电信号输出装置，包括：支撑部件、固定在所述支撑部件内部 的弹性部件、与所述弹性部件自由端相对固定的第一摩擦部件和与所述第一摩擦部件面对 面放置的第二摩擦部件，其特征在于：所述第一摩擦部件的下表面为第一摩擦表面，所述第 二摩擦部件的上表面为第二摩擦表面，两个摩擦表面相对，并且二者由具有不同摩擦电极 序的材料制备；所述第一摩擦部件的上表面为第一导电表面，所述第二摩擦部件的下表面 为第二导电表面，两个所述导电表面分别与电信号输出端的两端电连接。
2. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一摩擦表面和第二摩擦表面在平衡 状态下刚好接触。
3. 如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第一摩擦表面和第二摩擦表面选自 绝缘材料、半导体材料和导电材料。
4. 如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一摩擦表面为导电材料，并且所述第 一摩擦表面与第一导电表面合二为一；或者，所述第二摩擦表面为导电材料，并且所述第二 摩擦表面与第二导电表面合二为一。
5. 如权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于，所述第一摩擦表面，和/或，所述第 二摩擦表面上，全部或部分分布有微米或次微米量级的微结构。
6. 如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述微结构选自纳米线、纳米管、纳米颗粒、 纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由前述 结构形成的阵列。
7. 如权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，所述第一导电表面和第二导电表 面相同或不同，并且均选自金属或导电氧化物。
8. 如权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于，所述弹性部件具有螺旋结构。
9. 如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述弹性部件选自等直径弹簧、直径渐变的 锥形弹簧和直径不规则变化的异型弹簧。
10. 如权利要求1-9任一项所述的装置，其特征在于，所述弹性部件的杨氏模量为 l-4GPa，泊松比为 0. 3-0. 9。
11. 如权利要求1-10任一项所述的装置，其特征在于，所述弹性部件通过顶部悬挂的 方式固定在所述支撑部件的顶面。
12. 如权利要求1-10任一项所述的装置，其特征在于，所述弹性部件通过底部自持的 方式固定在所述支撑部件的底面。
13. 如权利要求1-12任一项所述的装置，其特征在于，所述弹性部件与所述支撑部件 之间紧密固定。
14. 如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述弹性部件在所述支撑部件的支撑表 面上直接制备。
15. 如权利要求1-14任一项所述的装置，其特征在于，在所述第一摩擦部件和所述弹 性部件之间还包括绝缘质量块，并且该绝缘质量块与所述第一导电表面紧密贴合。
16. 如权利要求1-15任一项所述的装置，其特征在于，所述支撑部件为一体化结构。
17. 如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述支撑部件为全封闭结构。
18. 如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述支撑部件为柱形、锥形、锥台或球形。
19. 一种用于对振动振源进行定位的定位装置，其特征在于包括：2个以上权利要求 1-18任一项所述的电信号输出装置，以及电信号记录和分析装置，所述电信号记录和分析 装置能够记录电信号本身的数值以及电信号产生的时间。
20. 如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述电信号输出装置中的支撑部件为底 面为平面结构的柱形。
21. 如权利要求19或20所述的装置，其特征在于，所述弹性部件以顶部悬挂的方式固 定在所述支撑部件的内部。
22. 如权利要求19-21任一项所述的装置，其特征在于所述电信号输出装置的数量为3 个。
23. -种基于权利要求19-22任一项所述定位装置的三点定位方法，其中需要3个所述 电信号输出装置，其特征在于包括如下步骤： (1) 将标记为STENG1、STENG2和STENG3的3个电信号输出装置分别固定在振动传导 表面的不同位置； (2) 采用多通道电信号记录和分析装置同时记录3个电信号输出装置的输出信号； (3) 所述电信号记录和分析装置以3个电信号输出装置的中间位置作为坐标原点建立 平面坐标系，使得3个电信号输出装置分别置于该坐标系的不同象限； (4) 向所述电信号记录和分析装置分析中输入STENG1与STENG2的间距1以及STENG1 与STENG3的间距h; (5) 根据3个电信号输出装置产生电信号的时间差异，初步确定振源所处的象限； (6) 根据振源所处象限给出初值，利用下面的方程组进行迭代计算振源位置；
其中x和y分别为振源在步骤（3)所确立的坐标系中的横坐标和纵坐标，Di为振源到STENG1和STENG2的距离差，D2为振源到STENG1和STENG3的距离差。
【专利摘要】本发明公开了一种基于弹性部件的电信号输出装置、定位装置以及定位方法。本发明结合不稳定的具有自平衡能力的弹性部件和纳米材料构建出电信号输出装置，实现低频率范围的宽带振动能量采集，以及振动源的探测与定位。位于平衡态的临界状态的弹性部件具有对外界扰动极其敏感的特性，该结构可以在平衡点附近振荡并自动恢复平衡，在外界一个微弱的振动扰动下，该力学结构可以拾取该振动能量，使电信号输出装置中不同摩擦电材料发生周期性的接触分离变化，从而产生电输出。本发明具有成本低、便携和结构简单等特点。
【IPC分类】H02K35-02, G01S5-18
【公开号】CN104578669
【申请号】CN201310495848
【发明人】胡又凡, 杨进, 王中林
【申请人】北京纳米能源与系统研究所
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2013年10月21日