一种基于摩擦纳米发电机的船机振动自驱动传感装置
阅读说明：本技术 一种基于摩擦纳米发电机的船机振动自驱动传感装置 (Ship-engine vibration self-driven sensing device based on friction nano generator ) 是由 邹永久 董方阳 杜太利 张博深 张跃文 孙培廷 徐敏义 张鹏 姜兴家 于 2021-07-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于摩擦纳米发电机的船机振动自驱动传感装置,包括摩擦纳米发电机、信号处理电路和贴附固定层；所述摩擦纳米发电机包括底座、顶盖、金属电极、接触层和液态金属；所述底座和顶盖内均设置有半球形凹坑；所述金属电极固定连接在底座的凹坑内表面；所述接触层固定连接在金属电极的内表面；所述液态金属设置在底座和顶盖之间,可在球形空间里自由振动；所述信号处理电路的一端与摩擦纳米电机相连,另一端接地；所述贴附固定层固定连接在摩擦纳米发电机底侧。本发明体积小、重量轻、成本低、环境兼容性强,能将具有中低频运动特性的船舶机械设备振动信息转化为电信号,实现船舶机械设备的自驱动振动传感。(The invention relates to a ship-engine vibration self-driven sensing device based on a friction nano generator, which comprises the friction nano generator, a signal processing circuit and an attached fixing layer; the friction nano generator comprises a base, a top cover, a metal electrode, a contact layer and liquid metal; hemispherical pits are arranged in the base and the top cover; the metal electrode is fixedly connected to the inner surface of the pit of the base; the contact layer is fixedly connected to the inner surface of the metal electrode; the liquid metal is arranged between the base and the top cover and can freely vibrate in the spherical space; one end of the signal processing circuit is connected with the friction nano motor, and the other end of the signal processing circuit is grounded; the attached fixing layer is fixedly connected to the bottom side of the friction nano generator. The self-driven vibration sensor has the advantages of small volume, light weight, low cost and strong environmental compatibility, and can convert the vibration information of the ship mechanical equipment with the characteristics of medium and low frequency motion into an electric signal to realize self-driven vibration sensing of the ship mechanical equipment.)
技术领域
本发明涉及振动传感技术领域，尤其涉及一种基于摩擦纳米发电机的船机振动自驱动传感装置。
背景技术
传感器技术升级是我国智能船舶发展面临的挑战与重大需求，研发新型船舶机械振动传感技术，提升船舶机舱设备的振动监测水平，对设备智能运维和健康管理具有重大价值和现实意义，也是推动船舶产业的智能化进程、带动产业升级的重要举措。
在船用振动传感器方面，目前主要为电磁式和电涡流式两种，但这两种类型的传感器在产生信号的过程中都需要通过电缆供能。然而采用电缆供能的振动传感在监测精确性和布置灵活性方面有待提高，特别是针对密闭环境、旋转环境的振动监测，更难以实现直接、精准的测量。针对上述问题，由于无线振动传感网络具有自组织、易扩展和部署灵活等特点，且能更加直接、精准地感知振动状态，因此构建基于无线传感器网络的分布式机械振动监测系统在智能机舱研究领域具有巨大的应用潜力。但目前无线振动传感节点通常由容量有限的蓄电池供电，其处理器性能较弱，而且电池也会对环境产生二次污染。为解决这一问题，研究者开展了压电式自驱动振动传感的研究，这种传感器在产生传感信号的过程中不需要外界供能，为降低无线传感器能耗提供了一种新途径。然而，压电式振动传感技术输出信号较弱，且易受温度、湿度的影响，难以适应实际船舶机舱环境。因此，亟需发明一种新型振动自驱动传感装置，以满足智能船舶对振动传感技术升级的需求。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于摩擦纳米发电机的船机振动自驱动传感装置。能够将具有中低频运动特性的船舶机械设备振动信息转化为电信号，实现船舶机械设备的自驱动振动传感。
本发明采用的技术方案如下：
本发明所提出的一种基于摩擦纳米发电机的船机振动自驱动传感装置，包括摩擦纳米发电机、信号处理电路和贴附固定层；
所述摩擦纳米发电机包括绝缘支撑体、金属电极、接触层和液态金属；所述绝缘支撑体由顶盖和底座构成，且所述底座和顶盖内均设置有半球形凹坑；所述金属电极固定连接在绝缘支撑体底座的凹坑内表面；所述接触层固定连接在金属电极的内表面；所述液态金属设置在绝缘支撑体底座和顶盖的凹坑之间，可在球形的空间里自由振动，并在振动过程中不断与接触层接触和分离；
所述信号处理电路的一端与摩擦纳米电机相连，另一端接地；
所述贴附固定层固定连接在摩擦纳米发电机底侧，所述摩擦纳米发电机可通过贴附固定层与船舶机械设备表面固定连接。
进一步的，所述信号处理电路包括整流电容、一阶有源低通滤波器、同相比例放大器和无源滤波器；所述整流电容与一阶有源低通滤波器的输入端相连接，所述一阶有源低通滤波器的输出端与同相比例放大器的输入端相连接，所述同相比例放大器的输出端与无源滤波器相连接；所述摩擦纳米发电机的金属电极与信号处理电路的输入端相连接，所述信号处理电路的输入端与整流电容相连接。
进一步的，所述接触层为介电材料。
进一步的，所述接触层表面设置有均匀分布的纳米棒结构。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明采用一种新型机电转换方式，能将具有中低频运动特性的船舶机械设备振动信息转化为电信号，实现船舶机械设备的自驱动振动传感；
2、本发明具有体积小、重量轻、成本低、环境兼容性强等特点，经整体封装后直接贴附在被测机械部件上，能够直接、精确监测机械的振动状态；
3、本发明精巧的结构使得装置可以应用于大部分设备，而且不会影响设备的正常运行；
4、本发明运动部件为液态金属，运行噪音非常小；而且液态金属具有较强的形状适应能力，接触紧密度高，传感性能极佳。
附图说明
图1是本发明所提出的一种基于摩擦纳米发电机的船机振动自驱动传感装置的整体结构示意图；
图2是本发明中摩擦纳米发电机的工作原理示意图；
图3是本发明中接触层的表面处理微结构示意图；
图4是本发明中信号处理电路的的结构示意图。
其中，附图标记：1-信号处理电路；11-整流电容；12-一阶有源低通滤波器；13-同相比例放大器；14-无源滤波器；2-金属电极；3-接触层；31-纳米棒结构；4-液态金属；5-顶盖；6-底座；7-半球形凹坑；8-贴附固定层。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
需要说明的是，在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。
参见附图1至4，给出了本发明所提出的一种基于摩擦纳米发电机的船机振动自驱动传感装置的一个实施例的具体结构。该装置包括摩擦纳米发电机、信号处理电路1和贴附固定层。
所述摩擦纳米发电机包括绝缘支撑体、金属电极2、接触层3和液态金属4；所述绝缘支撑体由顶盖5和底座6构成，且所述底座6和顶盖5内均设置有半球形凹坑7；所述金属电极2固定连接在绝缘支撑体底座6的半球形凹坑7的内表面；所述接触层3固定连接在金属电极2的内表面；所述液态金属4设置在绝缘支撑体底座6和顶盖5的半球形凹坑7之间，可在底座6和顶盖5之间构成的球形空间里自由振动，并在振动过程中不断与接触层3接触和分离；所述接触层3为介电材料，且其内表面设置有均匀分布的纳米棒结构31。
所述信号处理电路1包括整流电容11、一阶有源低通滤波器12、同相比例放大器13和无源滤波器14；所述整流电容11一端与摩擦纳米发电机相连接，另一端与一阶有源低通滤波器12的输入端相连接，所述一阶有源低通滤波器12的输出端与同相比例放大器13的输入端相连接，所述同相比例放大器13的输出端与无源滤波器14相连接；所述一阶有源低通滤波器12由第一电阻和第二电容构成；所述同相比例放大器13由第二电阻、第三电阻和运算放大器构成；所述无源滤波器14由第四电阻和第三电容构成。所述摩擦纳米发电机的金属电极2与信号处理电路1的输入端相连接，所述信号处理电路的输入端与整流电容11相连接。
所述贴附固定层8固定连接在摩擦纳米发电机的底侧，所述摩擦纳米发电机可通过贴附固定层8与船舶机械设备表面固定连接。
工作状态下，本装置经整体封装后直接通过贴附固定层8贴附在船舶机械设备表面上，实时监测机械设备的振动状态，所述摩擦纳米发电机采集振动信号转换为电信号，经信号处理电路整流、滤波后传输至电脑端。
如图2所示，本发明中，所述摩擦纳米发电机的工作原理可以归纳为摩擦起电和静电感应的耦合作用。所述摩擦纳米发电机在机械振动条件下产生振动，会激发内部液态金属4与接触层3接触、分离，由于液态金属4和介电材料的摩擦电序列不同，所述液态金属4与接触层3接触使得液态金属4带正电，当液态金属4如图2(a)所示自上向下移动时，所述液态金属4和接触层3之间的距离变小，自由电子被吸引流入金属电极2，在外电路中形成一个如图2(b)所示的电流图；随着液态金属4和接触层3之间的距离逐渐变小，自由电子持续流入，直至建立新的静电平衡图，如图2(c)所示；当液态金属4如图2(d)所示向上运动离开接触层3时，静电平衡被打破，自由电子从金属电极2流出。随着液态金属4与接触层3不断地接触和分离，摩擦纳米发电机持续输出电信号。
摩擦纳米发电机输出交流电，通过整流电容11整流；再由第一电阻和第二电容构成的一阶有源低通滤波器12滤除高频干扰信号；然后通过第二电阻、第三电阻和运算放大器构成的同相比例放大器13将信号放大；放大后的信号通过第四电阻和第三电容构成的无源滤波器14滤除高次谐波；最后将信号送往电脑端。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。