[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

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，屏蔽外殼中部設有橫貫的隔板，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，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。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，振動條件下，懸臂產生隨時間變化的撓度，兩種介電材料的接觸面積也不斷發生變化，電極層經由外電路轉移感應電荷，輸出電信號。相比于現有的加速度傳感器來說，接觸式摩擦發電加速度傳感器有著精度高，范圍廣，結構簡單，抗干擾性好，環保節能和自驅動性等優點。

技術領域

本發明涉及一種基于摩擦發電技術的加速度傳感器裝置，尤其涉及用于一種懸臂摩擦式自供能靜電加速度傳感器。

背景技術

加速度傳感器是一種能夠測量加速度的傳感器，在城市基礎設施建設和管理中有著廣泛的應用。懸臂式自供能靜電加速度傳感器是將摩擦發電技術與系統慣性力原理良好的組合，在實際測量加速度時具有很好的應用性。目前常用的加速度傳感器是電容式加速度傳感器和電阻式加速度傳感器。電容式加速度傳感器存在輸出阻抗高，負載能力差，易收到外界干擾影響產生不穩定現象，嚴重時甚至無法工作，輸出特性非線性，寄生電容影響大的缺點；電阻式加速度傳感器存在面對劇烈的震動狀況時，輸出線性非常差，在測試中需要映入外界電路或者進行理論計算補償才能準確測量的缺點。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種懸臂摩擦式自供能靜電加速度傳感器，能夠用于加速度的檢測，并且無需額外提供能源，能夠自驅動工作，同時還具備精度高、范圍廣的特點。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是：提供一種懸臂摩擦式自供能靜電加速度傳感器，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，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。

進一步地，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，懸臂一端位于等腰三角形底邊一側，固定于屏蔽外殼，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。

進一步地，質量塊下表面與屏蔽外殼接觸。

進一步地，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。

進一步地，該加速度傳感器電信號測量裝置，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。

摩擦發電加速度傳感器可以根據其力電轉換特性，將環境荷載作用下所產生的機械能轉化為電能，因此通過測量裝置能夠將加速度大小用電信號表示。懸臂式摩擦發電裝置結構簡單、易于加工制作、便于微型化和集成化，材料的能量采集和應用工作環境限制少、效率高、綠色環保，相關技術的開發利用將產生巨大的經濟效益，為建設資源節約型社會提供助力，具有一定市場潛力和經濟價值。

本發明的有益效果是：本發明將摩擦發電加速度傳感器內置于屏蔽外殼，將環境動荷載引起的振動加速度轉化為電信號表示，經過該裝置中的信號處理和輸出裝置將數據輸出。本發明無需使用外部電源，僅憑借裝置本身就能產生電信號，是一種限制少、效率高、綠色環保的裝置。相比于現有的加速度傳感器來說，接觸式摩擦發電加速度傳感器有著精度高，范圍廣，結構簡單，抗干擾性好，環保節能和自驅動性等優點。

附圖說明