一种基于摩擦纳米发电机的密度传感装置及其方法

文档序号:25535101发布日期:2021-06-18 20:28阅读:26来源:国知局
一种基于摩擦纳米发电机的密度传感装置及其方法

本发明属于流体热物理性质测量技术领域,具体地,涉及一种基于摩擦纳米发电机的密度传感装置及其方法。



背景技术:

密度是生产生活中最常见的热物理性质之一,在工业生产、能源开发、食品检测和医疗保健等领域均有广泛应用,密度的测量对于鉴别混合物组分、确定物质状态、监控环境参数等方面有着重要的作用。密度计作为一种能准确、快速、高效测量密度的简易测试仪器,在工程应用和实际生活中占有不可或缺的地位。其中,浮子式密度计利用阿基米德定律和浮子在待测液体液面上保持平衡的条件制成的,根据浮子所浸没的体积量实现液体密度的测定,具有结构简单、操作便捷和成本低廉等特点。然而,传统浮子式密度计在使用时需要依靠目测读出密度数值,存在一定的读数误差;实现密度的在线监测需要借助ccd相机等价格相对高昂的位移传感系统,其体积较为庞大且容易受环境振动影响,难以在诸如水产养殖、海洋环境监测和热力管网系统等需要密集布置密度传感器的场合推广。

随着计算机和网络技术的快速发展,人类已经步入大数据和信息化的时代,同时,数量呈井喷式增长的各类传感设备的智能化要求也在逐步提高,研发自供能、可在线监测的传感器势在必行。摩擦纳米发电机是一种基于摩擦起电效应和静电感应的耦合效应的新型能量转换装置,用于将两种材料间相互摩擦中的机械能转化为电信号,具有结构简单、成本低廉和在线测量等特点,目前已被广泛应用于能源物联网、材料科学、医疗健康和环境监测等领域的传感系统。浮子式密度计在工作过程中存在机械运动,利用摩擦纳米发电机对密度计的位移进行检测,将位移信号转化为电信号,有望解决传统浮子式密度计存在读数误差、难以实现在线测量等固有问题。

鉴于此,本发明的主旨在于提出一种基于摩擦纳米发电机的密度传感装置及其方法,利用摩擦纳米发电机将浮子与浮台之间的相对运动转化为摩擦电信号,从而实现密度的在线测量,并具有结构简单、成本低廉、安全环保和无需外部电源供能等特点,在水产养殖、能源输运、食品检测、医疗保健和环境监测等领域具有重要应用前景。



技术实现要素:

本发明的目的在于提供一种基于摩擦纳米发电机的密度传感装置及其方法,可用于水产养殖、能源输运、食品检测、医疗保健和环境监测等领域的密度测量,具有在线测量、结构简单、成本低廉、安全环保和无需外部电源供能等特点。

为了实现上述目的,本发明提供一种基于摩擦纳米发电机的密度传感装置及其方法,所述基于摩擦纳米发电机的密度传感装置包括:上浮子,利用自身浸没在待测液体的体积实现液体密度的测定;下浮子,用于平衡所述密度传感装置的重力;重物,用于将所述上浮子和下浮子的重心下移;第一电极层,用作摩擦纳米发电机的参考电极;固体摩擦介质,用于将所述上浮子位移量转化为摩擦电信号;第二电极层,用于与所述第一电极层和固体摩擦介质三者共同组成摩擦纳米发电机,与第一电极层的电信号差值即为摩擦电信号;浮台,中间有空腔,用于固定所述第二电极层的位置并限定上浮子在水平方向的运动;端盖,用于确定所述上浮子相对于浮台的初始位置;牵引线,用于限制所述上浮子相对于浮台在水平方向的运动。

基于摩擦纳米发电机的密度传感装置及其测量方法,其特征是:根据所述上浮子和下浮子在达到静止状态后所浸没在待测液体中的体积来反映待测液体的密度。所述上浮子受重力、浮力和粘性阻力的作用与始终漂浮在待测液体液面上的浮台发生相对运动,由于摩擦起电效应和静电感应的耦合作用,与上浮子相连的固体摩擦介质和与浮台相连的第二电极层因存在相对位移而产生摩擦电信号,根据第一电极层和第二电极层的摩擦电信号确定上浮子相对于液面的位移量,最后计算出上浮子和下浮子所浸没在待测液体中的体积进而得到待测液体密度的测量值。

上浮子、下浮子与重物共同构成封闭空间,上浮子和第一电极层相连,第一电极层和固体摩擦介质相连,第二电极层和浮台相连,端盖和浮台相连,牵引线和上浮子相连。

上浮子、下浮子、浮台和端盖为硼硅酸盐玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、abs塑料、聚氨酯泡沫塑料、光敏树脂等材料;所述重物为钢铁、铜、汞等材料;所述第一电极层和第二电极层为铝、铜、银、金等材料;所述固体摩擦介质为聚四氟乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯等材料;所述牵引线为尼龙、碳素、聚乙烯等材料。

在测量液体密度时,将所述基于摩擦纳米发电机的密度传感装置放在待测液体的液面上。为了确定所述上浮子的初始位置,利用牵引线将上浮子上拉至刚好接触端盖的位置,此时第一电极层和第二电极层的相对电信号即摩擦电信号为0,上浮子浸没在待测液体中的体积记为0。开始测量时,松开所述牵引线,上浮子相对于浮台发生相对运动,此时摩擦电信号也发生相应的变化,在整个系统达到稳态后上浮子的位移量与待测液体的密度之间存在一一对应关系,以第一电极层和第二电极层作为正负极测量摩擦电信号即可得到待测液体的密度。

当所述固体摩擦介质与第二电极层存在相对位移时,根据固体摩擦介质的位移量以及对应的第一电极层和第二电极层的相对电信号,由公式(1)拟合得到固体摩擦介质的位移量与摩擦电信号的函数关系:

h=f(u)(1)

式中:h为所述固体摩擦介质与第二电极层的相对位移量;u为所述第一电极层和第二电极层的电势差或转移电荷量;f(u)代表已知所述第一电极层和第二电极层的摩擦电信号u计算上浮子位移量的函数关系式。

在测量液体密度的过程中,所述的上浮子在第二电极层和浮台的共同约束下竖直下落,最终漂浮在待测液体中。根据浮力原理,在静止状态下所述上浮子和下浮子受到的浮力等于所排开液体受到的重力,即:

f=ρ(v0+v1)g(2)

式中,f为所述上浮子和下浮子所受的浮力大小;ρ为待测液体的密度;v0为所述下浮子的体积;v1为上浮子浸没在待测液体中的体积;g为重力加速度。

由于所述上浮子浸没在待测液体中的高度和固体摩擦介质与第二电极层的相对位移量h相等,结合上浮子浸没在待测液体中的体积v1和上浮子的横截面积s、固体摩擦介质与第二电极层的相对位移量h之间的关系,可得液体密度的测量方程:

式中,m为所述上浮子、下浮子、重物、第一电极层和固体摩擦介质的质量之和;s为所述上浮子的横截面积。

所述的基于摩擦纳米发电机的密度传感装置及其测量方法,包括制备与标定过程和测量与数据处理过程两个部分,其中,

所述的基于摩擦纳米发电机的密度传感装置及其测量方法,制备与标定过程包括步骤:

1)制备过程。首先,制作出所述上浮子、下浮子、重物和浮台并将重物放置于下浮子的空腔内,根据所述密度传感装置的量程确定上浮子的横截面积s,下浮子的体积v0,上浮子、下浮子、重物、第一电极层和固体摩擦介质的质量之和m。在所述上浮子远离下浮子的一端,沿竖直方向布置第一电极层,之后在第一电极层的外表面布置等长度的固体摩擦介质。把所述第二电极层放入靠近端盖的浮台空腔内,将牵引线的一端固定在上浮子远离下浮子的顶部,把牵引线的另一端由浮台空腔从端盖小孔处拉出并固定在端盖上。

2)标定过程。将所述上浮子放入浮台空腔内,把浮台平稳地放置在较高的位置上且保证浮台空腔下方无阻挡物体。利用所述牵引线将上浮子拉至刚好接触端盖的位置,将第一电极层和第二电极层短接,此时第一电极层和第二电极层的电信号差值即摩擦电信号为0,上浮子的位置记为0。开始标定时,松开所述牵引线,上浮子相对于浮台发生相对运动产生位移h,同时测量出以第一电极层和第二电极层为正负极的摩擦电信号u。根据所述固体摩擦介质与第二电极层的相对位移量h与第一电极层和第二电极层的摩擦电信号u,拟合得到已知第一电极层和第二电极层的摩擦电信号计算上浮子位移量的函数关系式f(u)。

所述的基于摩擦纳米发电机的密度传感装置及其测量方法,测量与数据处理过程在制备与标定过程之后,包括步骤:

将所述上浮子放入浮台空腔内,把浮台放在待测液体液面上,利用所述牵引线将上浮子拉至刚好接触端盖的位置。将第一电极层和第二电极层短接,此时摩擦电信号u为0,上浮子的位移h记为0。开始测量时,松开所述牵引线,记录上浮子相对于浮台发生相对运动时摩擦电信号u。由于所述上浮子与固体摩擦介质的位移相等,根据测得的摩擦电信号u和公式(3),即可得到待测液体的密度测量值。

与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:

本发明的基于摩擦纳米发电机的密度传感装置及其测量方法,由于所述上浮子和固体摩擦介质的位移相等,根据所述固体摩擦介质和第二电极层的相对位移h与第一电极层和第二电极层的摩擦电信号u的关系,得到上浮子浸没在待测液体中的体积从而实现待测液体的密度测量,具有结构简单、成本低廉、安全环保和无需外部电源供能等特点,在水产养殖、能源输运、食品检测、医疗保健和环境监测等领域具有重要应用前景。

附图说明

图1是本发明基于摩擦纳米发电机的密度传感装置及方法的一较佳实施例的结构示意图;

图2是本发明结构图1中a处放大示意图;

附图中所用到的符号的含义如下:1是上浮子;2是下浮子;3是重物;4是第一电极层;5是固体摩擦介质;6是第二电极层;7是浮台;8端盖;9是牵引线。

图3是本发明基于摩擦纳米发电机的密度传感装置及方法中所述固体摩擦介质位移量随摩擦电信号变化的函数关系示意图;

图4是本发明基于摩擦纳米发电机的密度传感装置及方法的密度测量值随摩擦电信号变化的函数示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。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它实施例,都属于本发明保护的范围。

如图1和2所示,本实施例提供的一种基于摩擦纳米发电机的密度传感装置及方法包括:上浮子1,利用自身浸没在待测液体的体积实现液体密度的测定;下浮子2,用于平衡所述密度传感装置的重力;重物3,用于将所述上浮子1和下浮子2的重心下移;第一电极层4,用作所述摩擦纳米发电机的参考电极;固体摩擦介质5,用于将所述上浮子1位移量转化为摩擦电信号;第二电极层6,用于与所述第一电极层4和固体摩擦介质5三者共同组成摩擦纳米发电机,与所述第一电极层4的电信号差值即为摩擦电信号;浮台7,中间有空腔,用于固定所述第二电极层6的位置并限定上浮子1在水平方向的运动;端盖8,用于确定所述上浮子1相对于浮台7的初始位置;牵引线9,用于限制所述上浮子1相对于浮台7在水平方向的运动。

图3是本发明基于摩擦纳米发电机的密度传感装置及方法用于密度测量时所述上浮子位移量随摩擦电信号变化的函数关系示意图,说明上浮子位移量和摩擦电信号之间存在良好的线性关系,所述基于摩擦纳米发电机的密度传感装置具有良好的线性度。

图4是本发明基于摩擦纳米发电机的密度传感装置及方法在测量盐水密度时密度测量值随摩擦电信号变化的函数示意图,电势差由0v升至23v左右时密度由0.99g·cm-3升至1.05g·cm-3,说明所述基于摩擦纳米发电机的密度传感装置的测量灵敏度和分辨率较高。

在本实施例中,所述上浮子1和下浮子2为硼硅酸盐玻璃,重物3为316l不锈钢,第一电极层4和第二电极层6为铝,固体摩擦介质5为聚四氟乙烯,浮台7和端盖8为光敏树脂,牵引线9为尼龙。

所述的基于摩擦纳米发电机的密度传感装置及其测量方法,包括制备与标定过程和测量与数据处理过程两个部分,其中,

所述的基于摩擦纳米发电机的密度传感装置及其测量方法,制备与标定过程包括步骤:

1)制备过程。首先,利用玻璃吹制的方法制作出所述上浮子1和下浮子2,利用钢球轧机制作出重物3并将其放置于下浮子的空腔内,利用3d打印的方法制作出浮台7。根据所述密度传感装置的量程确定上浮子1的横截面积s为0.1698cm2,下浮子2的体积v0为19.56cm3,上浮子1、下浮子2、重物3、第一电极层4和固体摩擦介质5的质量之和m为20.5895。第一电极层、固体摩擦介质和第二电极层的长度皆为8cm。在超声清洗仪中依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水对所述固体摩擦介质5进行清洗后烘干。在所述上浮子1远离下浮子2的一端,沿竖直方向布置第一电极层4,之后在第一电极层4的外表面布置等长度的固体摩擦介质5。把所述第二电极层6放入靠近端盖的浮台空腔内,将牵引线9的一端固定在上浮子1远离下浮子2的顶部,把牵引线9的另一端由浮台7空腔从端盖8小孔处拉出并固定在端盖8上。

2)标定过程。将所述上浮子1放入浮台7空腔内,把浮台7平稳地放置在较高的位置上且保证浮台7空腔下方无阻挡物体。利用所述牵引线9将上浮子1拉至刚好接触端盖8的位置,将第一电极层4和第二电极层6短接,此时第一电极层4和第二电极层6的电信号差值即摩擦电信号为0,上浮子1的位置记为0。开始标定时,松开所述牵引线9,上浮子1相对于浮台7发生相对运动产生位移h,同时测量出以第一电极层4和第二电极层6为正负极的摩擦电信号u。根据所述固体摩擦介质5与第二电极层6的相对位移量h与第一电极层4和第二电极层6的摩擦电信号u,拟合得到已知第一电极层4和第二电极层6的摩擦电信号计算上浮子1位移量的函数关系式f(u)为0.330u+0.208(单位为cm)。

所述的基于摩擦纳米发电机的密度传感装置及其测量方法,测量与数据处理过程在制备与标定过程之后,包括步骤:

将所述上浮子1放入浮台7空腔内,把浮台7放在待测液体液面上,利用牵引线9将上浮子1拉至刚好接触端盖8的位置。将所述第一电极层4和第二电极层6短接,此时摩擦电信号u为0,上浮子的位移h记为0。开始测量时,松开所述牵引线9,记录上浮子1相对于浮台7发生相对运动时摩擦电信号u。由于所述上浮子1与固体摩擦介质5的位移相等,根据测得的摩擦电信号u和公式(3),即可得到待测液体的密度测量值。

本发明基于摩擦纳米发电机的密度传感装置及方法及其传感方法中的1是上浮子1、下浮子2、重物3、第一电极层4、固体摩擦介质5、第二电极层6、浮台7、端盖8、牵引线9所用材料均为常规材料,价格低廉。本发明基于摩擦纳米发电机的密度传感装置及方法及其传感方法,根据所述固体摩擦介质和第二电极层的相对位移h与第一电极层和第二电极层的摩擦电信号u的关系,得到上浮子浸没在待测液体中的体积从而实现待测液体的密度测量,具有结构简单、成本低廉、安全环保和无需外部电源供能等特点,在水产养殖、能源输运、食品检测、医疗保健和环境监测等领域具有重要应用前景。

以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其它相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。

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