[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

本發明公開了一種基于摩擦電的振動信號測量方法，包括在振動源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，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，根據三個電場計算上、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，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。本發明振動信號測量精度高，具有完整的振動傳感方程，輸出的電壓信號經快速傅里葉變化后的頻率與振動頻率的誤差在1％以下。

技術領域

本發明涉及振動與傳感領域，尤其涉及一種基于摩擦電的振動信號測量方法。

背景技術

摩擦納米發電技術是近幾年新興的技術，其代表產物摩擦納米發電機往往具有低功率、微電流、高電壓的特點。摩擦納米發電機依據結構類型可以分為四種基本工作模式：單電極模式，垂直接觸-分離模式，水平滑動模式，獨立層模式。依據其收集能量的來源又可分為振動能收集，風雨能收集，生物能收集，海洋能收集。依據其應用場景，摩擦納米發電技術主要可以作為某些低功耗傳感器的供能器件，或本身可以作為一種自供能的傳感器投入適用。

對于振動系統的狀態監測，過去往往只是局限于通過外部電源給傳統傳感器供電來實現。而傳統振動傳感器依據工作原理可分為電渦流式振動傳感器、電感式振動傳感器、電容式振動傳感器、壓電式振動傳感器、電阻應變式振動傳感器等。而基于摩擦納米發電技術所研制的振動傳感器往往具有自驅動、成本低、免維護的優點，是當今科研工作者們研究的熱點之一。然而，基于摩擦電技術的振動傳感裝置的研制技術還不夠成熟，其傳感精度和傳感機理研究仍具有很大的提升空間。

發明內容

本發明提供一種基于摩擦電的振動信號測量方法，以克服上述技術問題。

一種基于摩擦電的振動信號測量方法，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。

優選地，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。

優選地，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。

優選地，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，