[發明專利]一種基于摩擦納米發電機的密度傳感裝置及其方法

有效

• 申請號: 202110202040.4
• 申請日: 2021-02-23
• 公開（公告）號: CN112994508B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 張穎;占濤濤;張恒飛;宿禹祺;張勇博;何茂剛
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H02N1/04
• 分類號: H02N1/04;G01N9/20
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 王艾華

1.一種基于摩擦納米發電機的密度傳感裝置，其特征在于，根據上浮子(1)和下浮子(2)在達到靜止狀態后所浸沒在待測液體中的體積來反映待測液體密度，上浮子(1)受重力、浮力和粘性阻力的作用與始終漂浮在待測液體液面上的浮臺(7)發生相對運動，由于摩擦起電效應和靜電感應的耦合作用，與上浮子(1)相連的固體摩擦介質(5)和與浮臺(7)相連的第二電極層(6)之間因存在相對位移而產生摩擦電信號，根據第一電極層(4)和第二電極層(6)的相對電信號確定所述上浮子(1)相對于液面的位移量，最后計算待測液體密度的測量值，上浮子(1)、下浮子(2)與重物(3)共同構成封閉空間，上浮子(1)和第一電極層(4)相連，第一電極層(4)和固體摩擦介質(5)相連，第二電極層(6)和浮臺(7)相連，端蓋(8)和浮臺(7)相連，牽引線(9)和上浮子(7)相連。

2.根據權利要求1所述的基于摩擦納米發電機的密度傳感裝置，其特征在于，上浮子(1)、下浮子(2)、浮臺(7)和端蓋(8)為硼硅酸鹽玻璃、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、ABS塑料、聚氨酯泡沫塑料或光敏樹脂材料。

3.根據權利要求1所述的基于摩擦納米發電機的密度傳感裝置，其特征在于，重物(3)為鋼鐵、銅或汞材料。

4.根據權利要求1所述的基于摩擦納米發電機的密度傳感裝置，其特征在于，第一電極層(4)和第二電極層(6)為鋁、銅、銀或金材料；固體摩擦介質(5)為聚四氟乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯或聚氨酯材料。

5.根據權利要求1所述的基于摩擦納米發電機的密度傳感裝置，其特征在于，牽引線(9)為尼龍、碳素或聚乙烯材料。

6.采用如權利要求1所述基于摩擦納米發電機的密度傳感裝置的方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：制備過程；首先，制作出所述上浮子(1)、下浮子(2)、重物(3)和浮臺(7)并將重物(3)放置于下浮子(2)的空腔內，根據所述密度傳感裝置的量程確定上浮子(1)的橫截面積S，下浮子(2)的體積V₀，上浮子(1)、下浮子(2)、重物(3)、第一電極層(4)和固體摩擦介質(5)的質量之和m，在上浮子(1)遠離下浮子(2)的一端，沿豎直方向布置第一電極層(4)，之后在第一電極層(4)的外表面布置等長度的固體摩擦介質(5)，把第二電極層(6)放入靠近端蓋的浮臺(7)空腔內，將牽引線(19)的一端固定在上浮子(1)遠離下浮子(2)的頂部，把牽引線(9)的另一端由浮臺(7)空腔從端蓋(8)小孔處拉出并固定在端蓋(8)上；

步驟二：標定過程；將上浮子(1)放入浮臺(7)空腔內，把浮臺(7)平穩地放置在較高的位置上且保證浮臺(7)空腔下方無阻擋物體，利用牽引線(9)將上浮子(1)拉至剛好接觸端蓋(8)的位置，將第一電極層(4)和第二電極層(6)短接，此時第一電極層(4)和第二電極層(6)的電信號差值即摩擦電信號為0，上浮子(1)的位置記為0，開始標定時，松開牽引線(9)，上浮子(1)相對于浮臺(7)發生相對運動產生位移h，同時測量出以第一電極層(4)和第二電極層(6)為正負極的摩擦電信號u，根據固體摩擦介質(5)與第二電極層(6)的相對位移量h與第一電極層(4)和第二電極層(6)的摩擦電信號u，擬合得到已知第一電極層(4)和第二電極層(6)的摩擦電信號計算上浮子位移量的函數關系式f(u)，當固體摩擦介質(5)與第二電極層(6)存在相對位移時，根據固體摩擦介質(5)的位移量以及對應的第一電極層(4)和第二電極層(6)的相對電信號，由公式(1)擬合得到固體摩擦介質(5)的位移量與摩擦電信號的函數關系：

h＝f(u) (1)

式中：h為固體摩擦介質(5)與第二電極層(6)的相對位移量；u為第一電極層(4)和第二電極層(6)的電勢差或轉移電荷量；f(u)代表已知第一電極層(4)和第二電極層(6)的摩擦電信號u計算上浮子(1)位移量的函數關系式；

步驟三：測量與數據處理過程；將上浮子(1)放入浮臺(7)空腔內，把浮臺(7)放在待測液體液面上，利用牽引線(9)將上浮子(1)拉至剛好接觸端蓋(8)的位置，將第一電極層(4)和第二電極層(6)短接，此時摩擦電信號u為0，上浮子的位移h記為0，開始測量時，松開牽引線(9)，記錄上浮子(1)相對于浮臺(7)發生相對運動時摩擦電信號u，在測量液體密度的過程中，上浮子(1)在第二電極層(6)和浮臺(7)的共同約束下豎直下落，最終漂浮在待測液體中，根據浮力原理，在靜止狀態下上浮子(1)和下浮子(2)受到的浮力等于所排開液體受到的重力，即：

F＝ρ(V₀+V₁)g (2)

式中，F為上浮子(1)和下浮子(2)所受的浮力大小；ρ為待測液體的密度；V₀為下浮子(2)的體積；V₁為上浮子(1)浸沒在待測液體中的體積；g為重力加速度，由于上浮子(1)浸沒在待測液體中的高度和固體摩擦介質(5)與第二電極層(6)的相對位移量h相等，結合上浮子(1)浸沒在待測液體中的體積V₁與上浮子(1)的橫截面積S、固體摩擦介質(5)與第二電極層(6)的相對位移量h之間的關系，可得液體密度的測量方程：

式中，m為所述上浮子(1)、下浮子(2)、重物(3)、第一電極層(4)和固體摩擦介質(5)的質量之和；S為上浮子(1)的橫截面積。