CN107525948B - 接触式摩擦发电加速度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种接触式摩擦发电加速度传感器，括屏蔽外壳，屏蔽外壳内设有接触式摩擦发电装置，接触式摩擦发电装置包括设置在屏蔽外壳中部的第一基板，第一基板将屏蔽外壳的内部空间分隔为两个腔室，第一基板的两侧分别设有两块第二基板，第一基板与第二基板相对的面上分别设有极性相反的介电材料，第二基板上设有弹簧，该弹簧连接在第二基板与第一基板相反的一个侧面以及屏蔽外壳与第二基板的该侧面相对的一个侧面上。本发明无需使用外部电源，仅凭借装置本身就能产生电信号，是一种限制少、效率高、绿色环保的装置。

Description

接触式摩擦发电加速度传感器
技术领域
本发明涉及用于一种基于摩擦发电技术的的加速度传感器装置。
技术背景
加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器，在城市基础设施建设和管理中有着广泛的应用。目前常用的加速度传感器是电容式加速度传感器和电阻式加速度传感器。电容式加速度传感器存在输出阻抗高，负载能力差，易收到外界干扰影响产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，输出特性非线性，寄生电容影响大的缺点；电阻式加速度传感器存在面对剧烈的震动状况时，输出线性非常差，在测试中需要映入外界电路或者进行理论计算补偿才能准确测量的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种接触式摩擦发电加速度传感器，能够用于加速度的检测，并且无需额外提供能源，能够自驱动工作，同时还具备精度高、范围广的特点。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：接触式摩擦发电加速度传感器，包括屏蔽外壳，屏蔽外壳内设有接触式摩擦发电装置，接触式摩擦发电装置包括设置在屏蔽外壳中部的第一基板，第一基板将屏蔽外壳的内部空间分隔为两个腔室，第一基板的两侧分别设有两块第二基板，第一基板与第二基板相对的面上分别设有极性相反的介电材料，第二基板上设有弹簧，该弹簧连接在第二基板与第一基板相反的一个侧面以及屏蔽外壳与第二基板的该侧面相对的一个侧面上。
进一步地，屏蔽外壳的内表面光滑，第一基板和两个第二基板均能够沿屏蔽外壳的内表面滑动。
进一步地，第一基板的两侧面上设有正极介电材料，两个第二基板的侧面上设有负极介电材料。
进一步地，该加速度传感器还包括测量电路，测量电路包括电线与测量装置，电线一端分别与第一基板和第二基板上的介电材料连接，电线的另一端与测量装置相连，该测量电路集成在屏蔽外壳上。
进一步地，弹簧连接在第二基板和屏蔽外壳侧面的中部。
接触式摩擦发电材料可以根据其力电转换特性，将环境荷载作用下所产生的机械能转化为电能，因此通过测量装置能够将加速度大小用电信号表示。接触式摩擦发电装置结构简单、易于加工制作、便于微型化和集成化，材料的能量采集和应用工作环境限制少、效率高、绿色环保，相关技术的开发利用将产生巨大的经济效益，为建设资源节约型社会提供助力，具有一定市场潜力和经济价值。
本发明的有益效果是：本发明将摩擦发电加速度传感器内置于屏蔽外壳，将环境动荷载引起的振动加速度转化为电信号表示，经过该装置中的信号处理和输出装置将数据输出。本发明无需使用外部电源，仅凭借装置本身就能产生电信号，是一种限制少、效率高、绿色环保的装置。相比于背景技术中的加速度传感器来说，接触式摩擦发电加速度传感器有着精度高，范围广，结构简单，抗干扰性好，环保节能和自驱动性等优点。
附图说明
图1是水平状态的接触式摩擦发电加速度传感器结构图；
图2是图1的接触式摩擦发电加速度传感器受到环境荷载作用的运动状态1；
图3是图1的接触式摩擦发电加速度传感器受到环境荷载作用的运动状态2；
图4是竖直状态的接触式摩擦发电加速度传感器结构图；
图5是图4的接触式摩擦发电加速度传感器在调节第一基板2位置的过程图；图中，Δx为加速度传感器竖直状态时，第一基板需要调整的距离，Δx＝mg/k。
图中标号：1-屏蔽外壳；2-第一基板；3-第二基板(分为3-1与3-2)；4-正极材料(分为4-1与4-2)；5-负极材料(分为5-1与5-2)；6-弹簧；a(t)为在某时刻t，环境荷载作用下加速度传感器的加速度；x(t)为在某时刻t，负极材料5-1与正极材料4-1之间产生的相对位移(负极材料5-2与正极材料4-2之间产生的相对位移)；k为弹簧6的刚度；m为第二基板3-1与负极材料5-1的质量和(第二基板3-2与负极材料5-2的质量和)。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方案作进一步详细说明
实施例1，水平状态的接触式摩擦发电加速度传感器，参照附图1-3。
本实施例中，接触式摩擦发电加速度传感器包括屏蔽外壳1，屏蔽外壳1内设有接触式摩擦发电装置，接触式摩擦发电装置包括设置在屏蔽外壳1中部的第一基板2，第一基板2将屏蔽外壳的内部空间分隔为两个腔室，第一基板1的两侧分别设有两块第二基板3(包括左侧的3-1和右侧的3-2)，第二基板3上设有弹簧6(包括左侧的6-1和右侧的6-2)，左侧的弹簧6-1连接在左侧的第二基板3-1和与其相对的屏蔽外壳1的内表面的中部，右侧的弹簧6-2连接在右侧的第二基板3-2和与其相对的屏蔽外壳1的内表面的中部，屏蔽外壳1的内表面光滑，第一基板2和两个第二基板3均能够沿屏蔽外壳的内表面滑动，第一基板2的两个侧面设有正极介电材料，左侧的第二基板3-1与第一基板2相对的面上设有负极介电材料，右侧的第二基板3-2与第一基板2相对的面上也设有负极介电材料。
该加速度传感器还包括测量电路，测量电路包括电线与测量装置，电线一端分别与第一基板和第二基板上的介电材料连接，电线的另一端与测量装置相连，该测量电路集成在屏蔽外壳上。
本发明的接触式摩擦发电加速度传感器实现加速度测量原理如下：
以图1水平状态为例，装置测量加速度方向为水平方向。初始状态下，第一基板2与第二基板3之间无相互作用力。当加速度传感器在环境荷载作用下，某一时刻t时，加速度为a(t)，其运动状态如图2所示，负极材料5-1与正极材料4-1之间产生相对位移x(t)，此时可以得到第二基板3-1的平衡方程：
kx(t)＝ma(t) (1)
其中k为弹簧6-1的刚度，m为第二基板3-1与负极材料5-1的质量和。
在接触式摩擦发电装置中，两种介电材料5-1、4-1板的厚度分别为d1和d2两者的相对介电常数分别为εr1和εr2。x(t)代表涂有两种介电材料的第一基板与第二基板之间的距离(即负极材料5-1与正极材料4-1之间的距离)。当接触式摩擦发电装置工作时，x(t)从0到最大变化。当两种介电材料接触(即x(t)＝0)，电极板充电，两个涂有介电材料的电极板的表面获得相反的静电荷，具有相等的电荷密度σ(接触摩擦产生的电荷密度)。并且当两种介电材料分离时，电荷经外加电路产生电流。当负载电阻给定为R时，电压可表示为：
Figure BDA0001404731320000041
其中d0＝d1/εr1+d2/εr2，为介电材料的等效厚度，S为介电材料电极板的接触面积，ε0为真空介电常数。
联立(1)(2)两式，即可得到电压V(t)与加速度a(t)的关系V(t)＝V(a(t))，从而通过测量电路将加速度大小表达为电信号。
当运动状态如图3所示，原理与上述相同。
实施例2，竖直状态的接触式摩擦发电加速度传感器，参照附图4-5。
本实施例中，加速度传感器呈竖直布置，其整体的布置方向与实施例1的方向呈90°。
以图4竖直状态为例，当装置测量加速度方向与水平线夹角为90°时，即为加速度方向为竖直方向时，如图5，调节第一基板2位置，调节位移Δx＝mg/k，使得第一基板2与第二基板3之间无相互作用力，平衡在测量加速度方向与水平线夹角为90°时产生的重力干扰。此状态下，测量原理与水平状态相同。

Claims (3)

1.接触式摩擦发电加速度传感器，其特征是，包括屏蔽外壳，屏蔽外壳内设有接触式摩擦发电装置，接触式摩擦发电装置包括设置在屏蔽外壳中部的第一基板，第一基板将屏蔽外壳的内部空间分隔为两个腔室，第一基板的两侧分别设有两块第二基板，第一基板与第二基板相对的面上分别设有极性相反的介电材料，第一基板的两侧面上设有正极介电材料，两个第二基板的侧面上设有负极介电材料；第二基板上设有弹簧，该弹簧连接在第二基板与第一基板相反的一个侧面以及屏蔽外壳与第二基板的该侧面相对的一个侧面上；
该加速度传感器还包括测量电路，测量电路包括电线与测量装置，电线一端分别与第一基板和第二基板上的介电材料连接，电线的另一端与测量装置相连，该测量电路集成在屏蔽外壳上；
所述接触式摩擦发电加速度传感器对加速度的测量方式为：
初始状态下，某一时刻t时，加速度为a(t)，第二基板的平衡方程为：
kx(t)＝ma(t) (1)，
其中，k为弹簧的刚度，m为左侧的第二基板与其侧面上设有的负极介电材料的质量和；
当两种介电材料分离时，电荷经外加电路产生电流，当负载电阻给定为R时，电压可表示为：
Figure FDA0002882156980000011
其中，d1和d2分别为两种介电材料板的厚度，σ为涂有介电材料的电极板的电荷密度，d0＝d1/εr1+d2/εr2，为介电材料的等效厚度，S为介电材料电极板的接触面积，ε0为真空介电常数；
联立(1)(2)两式，即可得到电压V(t)与加速度a(t)的关系V(t)＝V(a(t))。
2.根据权利要求1所述的接触式摩擦发电加速度传感器，其特征是，屏蔽外壳的内表面光滑，第一基板和两个第二基板均能够沿屏蔽外壳的内表面滑动。
3.根据权利要求1所述的接触式摩擦发电加速度传感器，其特征是，弹簧连接在第二基板和屏蔽外壳侧面的中部。
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