振動傳感器廣泛應用于基礎(chǔ)設(shè)施健康、交通安全、生物醫(yī)學設(shè)備、智能電子產(chǎn)品、機械設(shè)備振動監(jiān)測等領(lǐng)域。然而，物聯(lián)網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展對振動傳感提出了新的挑戰(zhàn)，尤其是在需要大量傳感器部署且缺乏電能供給的場合，以傳統(tǒng)傳感方案難以實現(xiàn)長期有效的感知監(jiān)測。解決這一問題的有效方案是開發(fā)自驅(qū)動的振動傳感器。同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，機械設(shè)備正朝著高度自動化、智能化、高效率的方向發(fā)展。例如，無人船可承擔大規(guī)模、長期間、低成本的作業(yè)任務。但是，機械設(shè)備的長時間穩(wěn)定運行，需要對其運行狀況進行實時監(jiān)測。一旦運行狀態(tài)出現(xiàn)異常，需要立即采取維護措施。傳感器可能經(jīng)常暴露在高溫、高濕的惡劣環(huán)境中，并且需要考慮到在大范圍部署傳感網(wǎng)絡(luò)時傳感器的成本與功耗，即使在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，傳感器仍需要正常工作。因此，自驅(qū)動振動傳感器具有獨特的研究與應用價值。近日，清華大學深圳國際研究生院丁文伯助理教授的智能感知與機器人（Smart Sensing and Robotics, SSR）課題組開發(fā)了一種基于摩擦納米發(fā)電機（TENG）的高靈敏度自驅(qū)動振動傳感器。利用柔性介電薄膜與多孔金屬材料構(gòu)建摩擦層，有效提升了TENG傳感精度，所制備的TENG傳感器可以檢測到1-2000 Hz頻率的振動，即使在高溫高濕的環(huán)境中，TENG傳感器輸出的信號在波形上不失真（幅值改變）。在實驗室條件下將TENG傳感器初步應用于機械齒輪系統(tǒng)的運行狀態(tài)檢測，將機器學習與TENG信號識別相結(jié)合，達到了高準度識別機械系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的，檢測結(jié)果可實時顯示在遠程監(jiān)控或者移動設(shè)備上。TENG傳感器同時可用于空氣壓縮機、熱風槍、磚瓦空鼓等方面的振動檢測，并通過嵌入式系統(tǒng)將運行狀態(tài)在屏幕顯示。該工作為構(gòu)建TENG自驅(qū)動傳感器提供了新思路，在機械故障智能診斷方向具有應用潛力。
圖1. 摩擦納米發(fā)電機振動傳感器（VS-TENG）的結(jié)構(gòu)與工作原理
圖2. VS-TENG機械運行狀態(tài)監(jiān)測清華大學深圳國際研究生院丁文伯助理教授為論文的通訊作者，王季宇博士為共同通訊作者，清華大學深圳國際研究生院2021級博士研究生趙洪發(fā)、2021級碩士研究生艾子豪、2020級碩士研究生舒明瑞為論文的共同第一作者。論文作者還包括清華大學深圳國際研究生院樓子瑞博士、2021級博士研究生蘇杰華、科研助理陸誠越、2020級碩士研究生金雨超、2019級博士研究生王子涵、新加坡國立大學吳昌盛助理教授，以及深圳國際研究生院曹譯丹助理教授和徐曉敏副教授。該項目得到了國家自然科學基金、深圳國際研究生院科研啟動基金和交叉學科基金、廣東省基礎(chǔ)與應用基礎(chǔ)研究基金、深圳市穩(wěn)定支持項目、清華國強研究院等項目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202201132
參考資料：https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/98872.htm
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