一种基于摩擦纳米发电机的准零刚度自供能振动传感器

本技术涉及振动传感器，具体而言，涉及一种基于摩擦纳米发电机的准零刚度自供能振动传感器。

背景技术：

1、目前，振动测试是大型机械状态监测和故障诊断中非常重要的手段，振动测试有对位移、速度和加速度的测量，其中以位移信号为输出的传感器成果较少，具有不俗发展潜力和应用价值。振动信号可以反映发电机、电动机以及其他大型旋转机械工作时的运行状态，及时发现故障，减轻或避免经济上的损失，通过振动特征也可以预估设备的寿命。

2、现有技术中，振动传感器主要有压电式振动传感器、光纤式振动传感器和激光传感器。压电传感器结构简单安装方便，但是输出信号小，需要接前置放大器进行阻抗变换和电荷的放大，并且在电磁场环境较为复杂的环境中有严重的电磁干扰问题，难以实现传感的目标；光纤传感器输出受温度影响大，且受到机械结构的限制。位移振动传感器中，激光传感器缺点是价格昂贵、耗能高、需大电源供应，不能满足现在复杂多场景的广泛应用，然而，目前爆发式增长的工业设备需要大量传感器，上述各传感器满足不了工业的大规模需求。

3、摩擦纳米发电机因能量转化效率高、结构简单、成本低等优点，可以打破传统需要外部供电的传感器因布线或更换电池所受的限制。摩擦纳米发电机在外界振动激励下输出信号为明显电学信号，不需要转换放大电路，且不容易受复杂电磁场环境的影响；摩擦纳米发电机的输出信号和位移激励有很好的线性映射关系。因此，利用摩擦纳米发电机设计振动传感器具有巨大潜力。

4、然而，现有的基于摩擦纳米发电机的振动传感器由于结构设计策略的不足，没办法对一个宽频振动位移信号实现准确测量。

5、综上所述，存在如下技术问题：

6、振动测试使用的位移振动传感器中，压电传感器结构简单安装方便，但是输出信号小，需要接前置放大器进行阻抗变换和电荷的放大，并且在电磁场环境较为复杂的环境中有严重的电磁干扰问题，难以实现传感的目标；光纤传感器输出受温度影响大，且受到机械结构的限制；激光传感器价格昂贵、耗能高、需大电源供应，不能满足现在复杂多场景的广泛应用。

7、现有的基于摩擦纳米发电机的振动传感器由于结构设计策略的不足，没办法对一个宽频振动位移信号实现准确测量。

技术实现思路

1、本实用新型的主要目的在于提供一种基于摩擦纳米发电机的准零刚度自供能振动传感器，以解决现有技术中振动测试中激光传感器价格昂贵、耗能高、需大电源供应，不能满足现在复杂多场景的广泛应用的问题。压电传感器结构简单安装方便，但是输出信号小，需要接前置放大器进行阻抗变换和电荷的放大，并且在电磁场环境较为复杂的环境中有严重的电磁干扰问题，难以实现传感的目标；光纤传感器输出受温度影响大，且受到机械结构的限制。现有的基于摩擦纳米发电机的振动传感器由于结构设计策略的不足，没办法解决对一个宽频振动位移信号实现准确测量中的至少一个技术问题。

2、为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种基于摩擦纳米发电机的准零刚度自供能振动传感器，包括：

3、壳体，所述壳体下端设有下盖板，上端设有上盖板，前端设有前盖板，后端设有后盖板，左端设有左盖板，右端设有右盖板；

4、准零刚度柔性结构，所述准零刚度柔性结构设置在壳体内的下盖板上，所述准零刚度柔性结构产生柔性振动；

5、摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机包括金属膜底座和介电质膜基座，所述金属膜底座上设有金属膜，所述介电质膜基座上设有介电质膜，所述介电质膜基座固定在前盖板上，所述金属膜底座与准零刚度柔性结构相连，所述金属膜和介电质膜相对设置。

6、优选的，所述准零刚度柔性结构包括：

7、u型支撑件，所述u型支撑件u型开口朝上设置，所述u型支撑件下端固定在下盖板上；

8、t型振动件，所述t型振动件设置在u型支撑件的上方；

9、第一支撑梁，所述第一支撑梁一端与u型支撑件一侧相连，另一端与t型振动件一侧相连；

10、第二支撑梁，所述第二支撑梁一端与u型支撑件另一侧相连，另一端与t型振动件另一侧相连。

11、优选的，所述金属膜底座成对设置，分别设置在t型振动件的两侧，所述介电质膜基座成对设置，每个介电质膜基座分别与金属膜底座相对设置，所述介电质膜成对设置，每片介电质膜分别设置在对应的介电质膜基座上，所述金属膜成对设置，每片金属膜分别设置在对应的金属膜基座上。

12、优选的，所述介电质膜通过粘接剂贴于介电质膜基座上，所述金属膜通过粘结剂贴于金属膜底座上。

13、优选的，所述介电质膜基座，其中一块介电质膜基座通过螺栓固定在前盖板上，另一块介电质膜基座通过螺栓固定在后盖板上。

14、优选的，所述金属膜底座通过粘结剂粘贴于准零刚度柔性结构两侧。

15、优选的，所述介电质膜基座和金属膜底座的间距保证金属膜和介电质膜接触、摩擦产生电信号。

16、优选的，通过摩擦纳米发电机收集振动能量，其中摩擦纳米发电机将振动转化为静电场势能，进而转化为电学输出信号，实现了自供能振动感知功能。

17、优选的，基于摩擦纳米发电机的准零刚度自供电振动传感器垂向安装在被测对象上，当被测对象振动时，基于摩擦纳米发电机的准零刚度自供电振动传感器，通过振动摩擦纳米发电机的压电金属薄膜会与准零刚度柔性结构两侧的介电质膜周期性的滑动摩擦运动，介电薄膜材料与金属电极材料相互滑动摩擦时，由于电负性不同会发生电子转移,基于摩擦起电，电子从电负性较弱的材料转移到电负性较强的材料表面，介电薄膜上有电子的积累，在不同的振动情况下，电势平衡被打破，在两个电极之间形成电势差，外电路中电子流动形成相反的电势差来平衡电场，外电路中产生电流,配合准零刚度柔性结构，实现在超宽频带测量振动信号。

18、优选的，基于摩擦纳米发电机的准零刚度自供电振动传感器在不同的振动状态下输出不同的电信号，以此作为传感信号输出，由位移信号本身以及经过数据处理得到的振动频率信号和振幅信号，得到较为完整的振动信息,进而分析被测对象的振动状态和运行工况。

19、应用本实用新型的技术方案，具有如下技术效果：

20、通过基于摩擦纳米发电机的准零刚度自供电振动传感器垂向安装在被测对象上，当被测对象振动时，基于摩擦纳米发电机的准零刚度自供电振动传感器中间主体部分实现两个基于摩擦纳米发电原理的过程,由于振动，摩擦纳米发电机的压电金属薄膜会与准零刚度柔性结构两侧的介电质膜周期性的滑动摩擦运动，介电薄膜材料与金属电极材料相互滑动摩擦时，电负性不同会发生电子转移,基于摩擦起电，电子从电负性较弱的材料转移到电负性较强的材料表面，介电薄膜上有电子的积累，在不同的振动情况下，电势平衡被打破，在两个电极之间形成电势差，外电路中电子流动形成相反的电势差来平衡电场，从而外电路中有电流产生,无需额外供电，通过准零刚度柔性结构，实现在超宽频带测量振动信号。

21、通过设计准零刚度柔性结构提高宽频动态监测性能，准零刚度柔性结构是一种将正负刚度弹性元件并联在静平位置获得零刚度的非线性弹性结构，通过合理优化机构的几何参数，可实现优越的宽频振动信号动态监测性能，相比传统的线性弹性结构，准零刚度柔性结构兼顾高承载能力和低固有频率，此外，准零刚度柔性结构一体化成型，结构简单、制造简单，对装配误差不敏感。