[發明專利]懸臂摩擦式自供能靜電加速度傳感器

有效

• 申請號: 201810448427.6
• 申請日: 2018-05-11
• 公開（公告）號: CN108918912B
• 公開（公告）日: 2020-06-23
• 發明（設計）人: 張治成;張計煒;張鶴
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01P15/08
• 分類號: G01P15/08;H02N1/04
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 黃歡娣;邱啟旺

1.懸臂摩擦式自供能靜電加速度傳感器，其特征是，包括屏蔽外殼，屏蔽外殼中部設有隔板，將屏蔽外殼的內部空間分隔為左右兩個腔室，隔板兩側是關于隔板對稱的摩擦發電裝置，所述摩擦發電裝置包括一層涂覆在屏蔽外殼內底面的第二介電材料層，所述第二介電材料層為等腰三角形形狀，以隔板左右對稱；還包括兩個分別布置于所述隔板兩側的懸臂，懸臂一端固定于屏蔽外殼，固定端位于等腰三角形底邊一側，且與隔板相鄰；懸臂另一端沿屏蔽外殼底面延伸至等腰三角形頂角以上位置，末端固定有一質量塊，懸臂下表面涂設有第一介電材料層，第一介電材料層和懸臂之間設有一層第一電極層，第二介電材料層和屏蔽外殼底面之間設有一層第二電極層，第一介電材料層和第二介電材料層極性相反，靜止狀態下，第一介電材料層和第二介電材料層表面接觸；

所述摩擦發電裝置能夠隨待測構件的振動，將振動機械能轉化為電能，并以電信號的形式輸出，具體過程如下：

當加速度傳感器在環境荷載作用下，某一時刻t時，加速度為a(t)，x為懸臂上任一點距懸臂固定端的距離，第一介電材料( 2) 隨懸臂( 5) 產生變撓度y(t,x)，此時得到第一介電材料的撓度方程：

其中EI為懸臂抗彎剛度，m為質量塊的質量，l為懸臂固定端到質量塊質心的距離；

t時刻時，由第二介電材料( 1) 寬度的線性變化關系可得，兩種介電材料接觸的面積為：

S(t)＝f(y(t,l)) (2)

f為兩種介電材料的接觸面積與懸臂端撓度的函數關系；

當接觸式摩擦發電裝置工作時，y(t,x)從0到最大變化；任意t時刻，兩介電材料之間的接觸面積由方程(1)(2)確定；當兩種介電材料接觸面積最大時即y(t,x)＝0，電極板充電，兩個涂有介電材料的電極板的表面獲得相反的靜電荷，具有相等的電荷密度σ；并且當兩種介電材料接觸面積逐漸變小時，電荷經外加電路產生電流；當負載電阻給定為R時，由基爾霍夫定律得控制方程為：

其中，電荷量Q、感應電容C均與S(t)存在函數關系，該一階微分方程的邊界條件為Q(t＝0)＝Q(T＝0)＝0；

聯立(1)(2)(3)三式，即可得到電壓V(t)與加速度a(t)的關系V(t)＝V(a(t))，因此，通過測試該電信號，即獲得加速度信息。

2.根據權利要求1所述的懸臂摩擦式自供能靜電加速度傳感器，其特征是，質量塊下表面與屏蔽外殼接觸。

3.根據權利要求1所述的懸臂摩擦式自供能靜電加速度傳感器，其特征是，靜止條件下，兩種介電材料接觸面積達到最大，產生摩擦電荷；在加速狀態下，懸臂發生彎曲，兩種介電材料層之間發生摩擦，且摩擦面積逐漸變小，兩個電極層之間的電勢差隨之變化。

4.根據權利要求1所述的懸臂摩擦式自供能靜電加速度傳感器，其特征是，還包括電信號測量裝置，電信號測量裝置與第一電極層和第二電極層相連，電信號測量裝置獲得第一電極層和第二電極層之間的電勢差信號，該電信號測量裝置集成在屏蔽外殼上。