超宽频响应准零刚度高灵敏摩擦振动传感器

MEMS 2023-06-10 00:02

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摘要：重庆大学光电学院牟笑静课题组首次提出准零刚度机理应用于摩擦纳米发电机（TENG）中研制了一种超宽频响应准零刚度高灵敏摩擦振动传感器（HSVS-TENG）。最终实现频率响应范围2.5~4000 Hz, 灵敏度为0.32~134.9 V/g，同时HSVS-TENG具有良好的线性度（0.08~2.81 V/g）。基于此搭建了一套装备关键零部件运行状态与故障诊断系统，利用机器学习算法达到了98.9%的故障信号识别。

关键词：自供电传感, 振动传感，摩擦纳米发电机

振动是现实生活中普遍存在的现象，它可以提供有关其来源的许多信息。振动传感器将振动信号转化为电信号，广泛应用于海洋环境、机械装备、大型建筑、交通运载等领域的健康状态监测。然而，随着物联网的蓬勃发展，传统传感器由于维护困难、成本高、额外的能量供应以及寿命有限等问题，难以满足数万亿的传感器网络需求。因此，非常希望开发一种不需要维护或额外能源供应的低成本、自供电的振动传感器。

摩擦纳米发电机（TENG）已被证明是一种结构简单、低成本和轻量级的振动检测方法。此外，大多数基于TENG的环境振动传感器仅限于低频范围(低于几百赫兹)。在低频波段，这些传感器比基于电磁感应、电容式和光纤等其他原理的振动传感器表现出更高的灵敏度。为了拓宽基于TENG的振动传感器的测量振动频率范围，研究人员一直致力于设计多自由度、球型、共振结构和柔性薄膜。已有报道的摩擦振动传感器频率响应范围达到了2 kHz，但其灵敏度(在超过几千赫兹的振动频率下~ 0.01 V/g)仍然需要提高。无论是哪种结构，要获得更宽的带宽需要更小的驱动阻力，要获得更大的灵敏度需要足够的质量来获得能量。因此，小的驱动阻力和足够的质量之间的平衡仍然是一个挑战，这是设计一个能够测量更宽频率范围和更高灵敏度的自供电传感器以扩展其应用的关键问题。

研究者提出了一种基于摩擦纳米发电机的超宽带高灵敏度振动传感器(HSVS-TENG)。引入了准零刚度结构，通过优化磁铁强度和移动部分的重量来最小化接触分离TENG所需的驱动力，当间隙为零时，磁铁的斥力等于自重。此时，系统的初始等效刚度接近于零。结果表明，HSVS-TENG能够在低至0.1 g的加速度下测量频率为2.5 ~ 4000 Hz的振动，且输出信号在不同加速度下呈现良好的线性。完成了利用机器学习算法检测电机、减速器、轴承、压缩机、鼓风机等关键部件运行状态及故障类型的探索性应用，识别准确率达到98.9%。由HSVS-TENG模块组成的传感器网络有望通过检测重大装备的关键部件，可实现重大装备的控制逻辑反馈和故障监测的潜在应用。