[發明專利]一種基于摩擦電的振動信號測量方法

在審

• 申請號: 202211033956.2
• 申請日: 2022-08-26
• 公開（公告）號: CN115435886A
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發明（設計）人: 李國賓;李慶濤;高宏林;邢鵬飛;馬宇薪;孫新雨;郝文含;李杰;鄭協清
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: G01H11/06
• 分類號: G01H11/06
• 代理公司: 大連至誠專利代理事務所(特殊普通合伙) 21242
• 代理人: 王丹;陳義華

1.一種基于摩擦電的振動信號測量方法，其特征在于，包括：

步驟1、在振動源上自下而上依次設置下電極層、獨立層、上電極層，獨立層包括多個帶負電的摩擦電介質，所述摩擦電介質能夠通過外界振動在上、下電極層間進行移動形成E1、E2、E3三個電場，E1為上電極層與獨立層上表面之間的電場，E2為獨立層內部的電場，E3為下電極層與獨立層下表面之間的電場；

步驟2、根據E1、E2、E3計算上、下電極層間的電勢差，根據摩擦電介質在上下電極層間的可移動距離計算轉移電荷量；

步驟3、根據電勢差和轉移電荷量構建最小可達到電荷參考狀態下的發電方程，根據發電方程計算外界振動的峰值加速度。

2.根據權利要求1所述的一種基于摩擦電的振動信號測量方法，其特征在于，所述摩擦電介質為聚四氟乙烯球，下電極層、獨立層、上電極層的表面積相同，下電極層、獨立層、上電極層的表面積小于振動源的表面積，下電極層與上電極層的材質為銅膜，通過沖壓技術上電極層、下電極層的表面形成凹坑，獨立層內部包括多個孔，孔之間不連通，孔的數量與聚四氟乙烯球的數量相同，獨立層的厚度大于聚四氟乙烯球的直徑。

3.根據權利要求1所述的一種基于摩擦電的振動信號測量方法，其特征在于，所述摩擦電介質通過外界振動在上、下電極層間進行移動形成E1、E2、E3三個電場包括根據公式(1)計算E1，根據公式(2)計算E2，根據公式(3)計算E3，

其中，ε₀為真空介電常數，ε_r1為聚四氟乙烯的相對電介質常數，上電極層的電荷量為Q₁,下電極層的電荷量為Q₂，Q₂＝2σ_s-Q₁，s為摩擦電介質的上表面積，上表面積與下表面積相等均為s，且攜帶電荷密度相同，均為-σ。

4.根據權利要求1所述的一種基于摩擦電的振動信號測量方法，其特征在于，所述根據E1、E2、E3計算上、下電極層間的電勢差包括根據公式(4)計算電勢差，

其中，d₁為摩擦電介質的直徑，x為摩擦電介質離開下電極層的位移，上下電極層間距為g+d₁，g為空氣間隙，s為摩擦電介質的上表面積，上表面積與下表面積相等均為s，且攜帶電荷密度相同，均為-σ，上電極層的電荷量為Q₁,下電極層的電荷量為Q₂，ε₀為真空介電常數，ε_r1為聚四氟乙烯的相對電介質常數，d₀為獨立層的有效厚度常數，它的值等于介電層厚度與其相對電介質的比值。

5.根據權利要求1所述的一種基于摩擦電的振動信號測量方法，其特征在于，所述根據摩擦電介質在上下電極層間的可移動距離計算轉移電荷量包括根據公式(5)計算轉移電荷量，

其中，上電極層的電荷量為Q₁，x為摩擦電介質離開下電極層的位移，當x＝0時，摩擦電介質與下電極層的位移為0，Q為轉移電荷量，s為摩擦電介質的上表面積，上表面積與下表面積相等均為s，且攜帶電荷密度相同，均為-σ，d₀為獨立層的有效厚度常數，它的值等于介電層厚度與其相對電介質的比值，g為空氣間隙。

6.根據權利要求1所述的一種基于摩擦電的振動信號測量方法，其特征在于，所述根據電勢差和轉移電荷量構建最小可達到電荷參考狀態下的發電方程包括根據公式(6)、(7)、(8)、(9)構建最小可達到電荷參考狀態下的發電方程，

其中，V_OC為開路電壓，Q_SC為短路轉移電荷量，C為固定電容，ε₀為真空介電常數，s為摩擦電介質的上表面積，上表面積與下表面積相等均為s，且攜帶電荷密度相同，均為-σ，d₀為獨立層的有效厚度常數，它的值等于介電層厚度與其相對電介質的比值，g為空氣間隙，V為輸出電壓。

7.根據權利要求1所述的一種基于摩擦電的振動信號測量方法，其特征在于，所述根據發電方程計算外界振動的峰值加速度包括根據公式(10)計算摩擦電介質相對于下電極層的運動距離，

其中，ε₀為真空介電常數，σ為摩擦電介質上表面的電荷密度，x(t)為摩擦電介質相對于下電極層的運動距離，V為輸出電壓，t為時間，a_p為振動的峰值加速度，

當摩擦電介質在上下電極層間做正弦運動時，根據公式(11)計算外界振動的峰值加速度，

其中，x_max為摩擦電介質相對于下電極層的最大運動距離，a_p為外界振動的峰值加速度。