摩擦电式机械运动传感器的研制及试验研究
发布时间：2022-01-24 17:53
微纳机电系统的快速发展,对现代传感器提出了微小集成和功能集成的新要求,而传统的机械运动传感器在这方面很难实现本质性的突破。另一方面,随着纳米科学的发展,摩擦纳米发电自被发明后,便得到了广泛的关注和研究,它是基于两种不同极性材料的摩擦起电与静电感应效应相互耦合的能量收集技术,可以将外部的机械激励转化为电能输出,在能源捕获效率、研制成本、材料选择范围和功能集成性等方面具有独特优势。摩擦纳米发电机可以感应外部机械激励变化的特征,因此也可以将其应用于机械传感。本文基于摩擦纳米发电机的理论,分别针对三种常见的机械运动形式研制了摩擦电式运动传感器,并进行了相关的试验研究。研制了一种可以与轴承集成的独立层式摩擦电转速传感器,在原有轴承座结构上做微小的改动即可实现转速测量的功能。采用有限元分析的手段对其电位分布和工作原理进行了仿真验证,并系统研究了其输出特性的变化规律,证明了其可以为一些低功耗的电子器件提供电能。通过提取不同转速条件下该传感器的信号特征,对传感传感器进行标定。此外,通过改变传感器的结构尺寸进行对比测试,对其一致性、稳定性进行验证,最后,通过搭建相应的试验测试台,对其传感精度进行评估。研...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
垂直接触-分离模式摩擦纳米发电机的工作原理[28]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-1.2.1.2水平滑动式摩擦发电机ZhuGuang[30]等人于2013年又制作了一种水平滑动结构的摩擦纳米发电机。该模式下的摩擦纳米发电机与垂直-接触分离模式下的摩擦纳米发电机结构相似，在金属电极的表面沾粘上两个电极极性相差很大的纳米薄膜，结构如图1-2所示。使用具有不同摩擦极性的尼龙和聚四氟乙烯聚合物薄膜，通过在两个聚合物薄膜表面进行纳米刻蚀提高器件的滑动摩擦效率，进而获得高能量转换率的摩擦发电机。水平滑动模式的结构设计使得两种电介质薄膜表面能够进行更加充分的滑动摩擦，因此信号输出功率显著提高。当两个电极极性相差很大的薄膜发生摩擦接触时，两个器件的接触表面会带上等量的异种电荷，当接触界面在外界机械载荷的驱动下产生滑动摩擦时，两个电极表面将产生感应电位差。此时若通过导线连接外部负载，电路中的自由电子会被驱动，以补偿摩擦电荷产生的感应电位差，进而输出电信号。当两个电介质薄膜表面发生周期性的滑动摩擦时，会导致接触界面间的感应电场发生周期性的变化进而诱导金属电极上的电荷发生往复流动，产生信号输出。这种水平滑动式的发电模式适用于滑动、旋转和摆动等形式机械能的收集。图1-2水平滑动模式摩擦纳米发电机的工作原理[30]1.2.1.3单电机式摩擦纳米发电机YangYa[31]等人于2014年开发制作了一种单电极模式的摩擦纳米发电机。这种结构模式的纳米发电机综合了以上两种运动模式的特点，其结构优势表现在摩擦对象可以自由的驱动，并且不受纳米发电机本体结构和安装空间的限制，只需要设置一个自由运动的工作电极，金属电极通过导线连接外部负载同时接入零电势点形成回路，结构如图1-3所示。金属导电电极安装在聚合物薄膜的背面，导电电极与外部负载连接后，直接接?
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-面触控、液体流动、飞轮转动等环境下机械能的采集[32]。图1-3单电机模式摩擦纳米发电机的工作原理[31]1.2.1.4独立层式摩擦纳米发电机Wang[33]等人于2015年制作了一种新型的独立层模式摩擦纳米发电机。它是在之前单电极结构模式的基础上发展而来，克服了单电机模式需要接地才能形成回路的结构缺陷，因此独立层模式的摩擦纳米发电机本体也能够自由移动，其特征是两个相连的金属电极与聚合物薄膜并联连接，同时薄膜层也起到保护电极的作用，如图1-4所示。当摩擦电极层受到外部机械激励的作用，两个薄膜界面会发生滑动接触，进而薄膜表面会带上等量异号的感应电荷，往复的接触摩擦会在界面间产生变化的感应电势。此时，电路负载中的自由电荷会因为感应电动势的作用而沿着电势差的方向产生定向的流动，从而产生信号输出。这种独立层结构的发电机模式适用于物体滚动、液体流动等形式机械能量的收集[34]。a)独立层模式的典型器件结构b)准短路条件下经过一个完整周期的运动过程图1-4独立层模式摩擦纳米发电机的工作原理[33]
【参考文献】：
期刊论文
[1]摩擦纳米发电机在自驱动微系统研究中的现状与展望[J]. 张弛,付贤鹏,王中林. 机械工程学报. 2019(07)
[2]微纳机电系统（MEMS/NEMS）前沿[J]. 李志宏. 中国科学:信息科学. 2012(12)
[3]光电轴角编码器发展现状分析及展望[J]. 汤天瑾,曹向群,林斌. 光学仪器. 2005(01)
[4]光电轴角编码器的发展动态[J]. 董莉莉,熊经武,万秋华. 光学精密工程. 2000(02)
本文编号：3607030
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
垂直接触-分离模式摩擦纳米发电机的工作原理[28]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-1.2.1.2水平滑动式摩擦发电机ZhuGuang[30]等人于2013年又制作了一种水平滑动结构的摩擦纳米发电机。该模式下的摩擦纳米发电机与垂直-接触分离模式下的摩擦纳米发电机结构相似，在金属电极的表面沾粘上两个电极极性相差很大的纳米薄膜，结构如图1-2所示。使用具有不同摩擦极性的尼龙和聚四氟乙烯聚合物薄膜，通过在两个聚合物薄膜表面进行纳米刻蚀提高器件的滑动摩擦效率，进而获得高能量转换率的摩擦发电机。水平滑动模式的结构设计使得两种电介质薄膜表面能够进行更加充分的滑动摩擦，因此信号输出功率显著提高。当两个电极极性相差很大的薄膜发生摩擦接触时，两个器件的接触表面会带上等量的异种电荷，当接触界面在外界机械载荷的驱动下产生滑动摩擦时，两个电极表面将产生感应电位差。此时若通过导线连接外部负载，电路中的自由电子会被驱动，以补偿摩擦电荷产生的感应电位差，进而输出电信号。当两个电介质薄膜表面发生周期性的滑动摩擦时，会导致接触界面间的感应电场发生周期性的变化进而诱导金属电极上的电荷发生往复流动，产生信号输出。这种水平滑动式的发电模式适用于滑动、旋转和摆动等形式机械能的收集。图1-2水平滑动模式摩擦纳米发电机的工作原理[30]1.2.1.3单电机式摩擦纳米发电机YangYa[31]等人于2014年开发制作了一种单电极模式的摩擦纳米发电机。这种结构模式的纳米发电机综合了以上两种运动模式的特点，其结构优势表现在摩擦对象可以自由的驱动，并且不受纳米发电机本体结构和安装空间的限制，只需要设置一个自由运动的工作电极，金属电极通过导线连接外部负载同时接入零电势点形成回路，结构如图1-3所示。金属导电电极安装在聚合物薄膜的背面，导电电极与外部负载连接后，直接接?
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-面触控、液体流动、飞轮转动等环境下机械能的采集[32]。图1-3单电机模式摩擦纳米发电机的工作原理[31]1.2.1.4独立层式摩擦纳米发电机Wang[33]等人于2015年制作了一种新型的独立层模式摩擦纳米发电机。它是在之前单电极结构模式的基础上发展而来，克服了单电机模式需要接地才能形成回路的结构缺陷，因此独立层模式的摩擦纳米发电机本体也能够自由移动，其特征是两个相连的金属电极与聚合物薄膜并联连接，同时薄膜层也起到保护电极的作用，如图1-4所示。当摩擦电极层受到外部机械激励的作用，两个薄膜界面会发生滑动接触，进而薄膜表面会带上等量异号的感应电荷，往复的接触摩擦会在界面间产生变化的感应电势。此时，电路负载中的自由电荷会因为感应电动势的作用而沿着电势差的方向产生定向的流动，从而产生信号输出。这种独立层结构的发电机模式适用于物体滚动、液体流动等形式机械能量的收集[34]。a)独立层模式的典型器件结构b)准短路条件下经过一个完整周期的运动过程图1-4独立层模式摩擦纳米发电机的工作原理[33]
【参考文献】：
期刊论文
[1]摩擦纳米发电机在自驱动微系统研究中的现状与展望[J]. 张弛,付贤鹏,王中林. 机械工程学报. 2019(07)
[2]微纳机电系统（MEMS/NEMS）前沿[J]. 李志宏. 中国科学:信息科学. 2012(12)
[3]光电轴角编码器发展现状分析及展望[J]. 汤天瑾,曹向群,林斌. 光学仪器. 2005(01)
[4]光电轴角编码器的发展动态[J]. 董莉莉,熊经武,万秋华. 光学精密工程. 2000(02)
本文编号：3607030
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