一种基于摩擦纳米发电机的自驱动位移传感器

摘要

本发明提供一种基于摩擦纳米发电机的自驱动位移传感器，该位移传感器包括一圆柱形内柱与一带有圆柱形空腔的圆筒，内柱一端固定连接在待测构件上，另一端插入到所述圆筒的空腔中，所述的内柱随待测构件的位移与所述圆筒产生轴向相对位移，所述内介电材料层和外介电材料层摩擦，从而产生电信号。相比其他应变测量装置来说，一种基于摩擦纳米发电机的自驱动位移传感器具有结构简单、应用范围广、测量精度高、无需额外提供电源、成本低廉等优点。同时还具备成本低廉、精度高、应用范围广、易加工和操作简便等特点。

权利要求

1.一种基于摩擦纳米发电机的自驱动位移传感器，其特征在于，该位移传感器包括一圆柱形内柱与一带有圆柱形空腔的圆筒，所述内柱一端固定连接在待测构件上，另一端插入到所述圆筒的空腔中；所述圆筒固定于稳定的固定端；所述内柱由内到外分别由内刚性基板、内电极层和内介电材料层构成，所述圆筒由内到外分别由外介电材料层、外电极层和外刚性基板构成，所述内介电材料层与外介电材料层贴合，内介电材料层的极性与外介电材料层的极性相反；所述的内柱随待测构件的位移与所述圆筒产生轴向相对位移，所述内介电材料层和外介电材料层摩擦，从而产生电信号；

该位移传感器还包括测量电路，测量电路包括电线与电信号测量装置，电信号测量装置测量两个导电层之间的电势差，并通过电势差大小计算位移大小；

当负载电阻给定为R时，电荷量Q的表达式为：

其中，d0为介电材料的等效厚度，d0＝d1/εr1+d2/εr2，d1和d2分别为内介电材料层、外介电材料层的厚度；εr1和εr2分别为内介电材料层、外介电材料层的相对介电常数，x(t)代表内柱和圆筒之间的相对位移；l为x(t)＝0时内柱和圆筒接触的长度，w为内柱的外周周长，ε0为真空介电常数；

电压表示为：

联立(1)(2)两式，得到电压V(t)与x(t)在某时刻t存在映射关系x(t)→V(t)，即某时刻t，通过测量电压V(t)，能够得出此刻的位移量x(t)，从而通过测量电路将位移大小表达为电信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的自驱动位移传感器，其特征在于，所述的内柱的内刚性基板与内电极层之间设置弹性材料层，使得所述的内柱插入所述的圆筒时所述内介电材料层与外介电材料层贴合。

3.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的自驱动位移传感器，其特征在于，所述的圆筒的外刚性基板与外电极层之间设置弹性材料层，使得所述的内柱插入所述的圆筒时所述内介电材料层与外介电材料层贴合。

说明书

一种基于摩擦纳米发电机的自驱动位移传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及用于结构动位移监测的自供能传感设备，尤其是一种基于摩擦纳米发电机的自驱动位移传感器。

背景技术

[0002] 在风荷载、地震荷载和交通荷载等外荷载作用下，土木工程结构会产生振动和位移，超过一定限值将影响结构的正常使用，甚至造成结构的破坏，所以必须要通过加强对建筑物结构振动的位移监测，来确保其安全性和可行性。目前的位移监测多数是利用应变测试完成的，结构的应变测试是工程人员进行结构优化设计，了解结构受力状态以及保证结构安全的一个很重要的环节。在现今的土木工程行业中，应变测量仪器广泛地应用于桥梁、铁路、大坝以及各种建筑设施的应变测量。目前常用的应变测量仪器主要有千分表应变计、电阻应变计、振弦式传感器，等等。其中，如采用千分表应变计，由于标注长度以及安装的限制，在实际应用中受限较大；如采用电阻应变计，具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，受环境影响较大，且其只能测构件表面一个点沿某个方向的应变而不能进行全域性测量；如采用振弦式传感器，则对传感器材料及加工工艺要求较高，且测量精度较低。

发明内容

[0003] 针对现有技术的不足，本发明提出一种基于摩擦纳米发电机的自驱动位移传感器，能够用于结构振动位移的测量，并且无需额外提供能源，能够将待测结构的机械能转化为电能并以电信号的形式输出，以该电信号计算出结构的位移大小，同时还具备成本低廉、精度高、应用范围广、易加工和操作简便等特点。具体技术方案如下：

[0004] 提供一种基于摩擦纳米发电机的自驱动位移传感器，该位移传感器包括一圆柱形内柱与一带有圆柱形空腔的圆筒，所述内柱一端固定连接在待测构件上，另一端插入到所述圆筒的空腔中；所述圆筒固定于稳定的固定端；所述内柱由内到外分别由内刚性基板、内电极层和内介电材料层构成，所述圆筒由内到外分别由外介电材料层、外电极层和外刚性基板构成，所述内介电材料层与外介电材料层贴合，内介电材料层的极性与外介电材料层的极性相反；所述的内柱随待测构件的位移与所述圆筒产生轴向相对位移，所述内介电材料层和外介电材料层摩擦，从而产生电信号。

[0005] 进一步地，内柱的内刚性基板与内电极层之间设置弹性材料层，使得内柱插入所述的圆筒时内介电材料层与外介电材料层贴合。

[0006] 进一步地，圆筒的外刚性基板与外电极层之间设置弹性材料层，使得内柱插入所述的圆筒时内介电材料层与外介电材料层贴合。

[0007] 进一步地，还包括测量电路，测量电路包括电线与电信号测量装置，电信号测量装置测量两个导电层之间的电势差，并通过电势差大小计算位移大小。

[0008] 本发明的有益效果是：

[0009] (1)本发明可以将结构振动的机械能转化为电能，达到自供能的效果，根据其力电转换特性将构件发生微小位移时的力学规律转化为电信号，根据装置的位移-输出关系即可得到结构的位移。

[0010] (2)本发明将位移传感器设计为柱形，圆形的接触面方便地给两层介电材料层均匀地加上附加压力，使其接触更紧密，避免了摩擦结构中接触不良的问题；另一方面可以在有限的设备体积下获得尽量大的摩擦接触面积，电信号输出更为明显。

[0011] (3)相比其他应变测量装置来说，一种基于摩擦纳米发电机的自驱动位移传感器结构简单、应用范围广、测量精度高、无需额外提供电源、成本低廉。

附图说明

[0012] 图1是本发明的结构示意图。

[0013] 图2是图1所示一种基于摩擦纳米发电机的自驱动位移传感器在待测构件上的安装示意图。

[0014] 图3是图2所示待测构件向上位移的位移传感计运动状态图。

[0015] 图4是图2所示待测构件向下位移的位移传感计运动状态图。

[0016] 图中标号：外刚性基板1、外电极层2、外介电材料层3、内介电材料层4、内电极层5、弹性材料层6和内刚性基板7。

具体实施方式

[0017] 下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0018] 如图1所示，本发明的位移传感器包括一圆柱形内柱与一带有圆柱形空腔的圆筒，所述内柱一端固定连接在待测构件上，另一端插入到所述圆筒的空腔中；所述圆筒固定于稳定的固定端；所述内柱由内到外分别由内刚性基板7、内电极层5和内介电材料层4构成，所述圆筒由内到外分别由外介电材料层3、外电极层2和外刚性基板1构成，所述内介电材料层4与外介电材料层3贴合，内介电材料层4的极性与外介电材料层3的极性相反；所述的内柱随待测构件的位移与所述圆筒产生轴向相对位移，所述内介电材料层4和外介电材料层3摩擦，从而产生电信号。

[0019] 作为其中一种实施方式，为了使内介电材料层4与外介电材料层3贴合贴合紧密，在内柱的内刚性基板7与内电极层5之间设置弹性材料层6，如图1所示。该弹性材料层6也可以设置在圆筒的外刚性基板1与外电极层2之间。

[0020] 本发明的位移传感器还包括测量电路，测量电路包括电线与电信号测量装置，电信号测量装置测量两个导电层之间的电势差，并通过电势差大小计算位移大小。

[0021] 本发明的位移传感器与待测构件的安装如图2所示。内柱与外圆筒分别固定在待测构件和固定端上，固定方式包括但不限于胶黏剂。图2展示了位移传感器安装之后的初始状态，内柱嵌入圆筒的圆柱形空腔中，弹性材料层6受到挤压从而给予内柱与圆筒一定的均匀附加压力，使内介电材料层4和外介电材料层3保持紧密接触。结构发生振动后，带动内柱沿轴向向上(图3)和向下(图4)位移，内介电材料层4与外介电材料层3发生摩擦，从而产生电荷转移，在两个电极层之间产生电势差，电信号测量装置可以测得电势差的大小，通过测量电势差的大小，求得结构位移。该电信号测量装置及相关的连接导线可集成在外基板上。

[0022] 本发明的一种基于摩擦纳米发电机的自驱动位移传感器实现位移测量的原理如下：

[0023] 在一种基于摩擦纳米发电机的自驱动位移传感器中，两种介电材料的厚度分别为d1和 d2，两者的相对介电常数分别为εr1和εr2。x(t)代表内柱和圆筒之间的相对位移。当位移传感器工作时，x(t)从0到最大变化。当两个涂有介电材料的电极板无相对位移(即x(t)＝0)，电极板充电，两个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)。并且当两电极板产生相对位移时，电荷经外加电路产生电流。当负载电阻给定为R时，电荷量Q的表达式为：

[0024]

[0025] 其中，d0＝d1/εr1+d2/εr2，为介电材料的等效厚度，l为x(t)＝0时内柱和圆筒接触的长度， w为内柱的外周周长，ε0为真空介电常数。

[0026] 电压可表示为：

[0027]

[0028] 联立(1)(2)两式，可以得到电压V(t)与x(t)在某时刻t存在映射关系x(t)→V(t)，即某时刻t，通过测量电压V(t)，能够得出此刻的位移量x(t)从而通过测量电路将位移大小表达为电信号。

[0029] 本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。