[发明专利]一种基于摩擦电纳米发电机的超声和声波探测仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于摩擦电纳米发电机的自驱动超声和声波探测仪。

背景技术

到目前为止，超声波是唯一能在深海作远距离传输的能量形式，而目前实用的探测水下目标的技术只有声纳技术。接收换能器是声纳中的核心器件，它是把水下超声波信号转换为电信号。根据换能原理的不同，换能器有压电式和电容式两种。压电式接收换能器是基于压电效应的传感器。它的敏感元件由压电材料制成，压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器、测量电路和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。缺点是很多压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷，而电荷放大器和高输入阻抗电路等都需要外接电源来驱动。电容式接收换能器，一般采用两块具有弹性的金属膜或镀金属的膜作为电容器的两极，当弹性膜感受压力而变形时，两极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与压力成一定关系的电信号。缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等，并且使用之前必须给电容充电。

现有的两种水下超声探测仪结构较复杂，并且只能探测来自某一方向的超声波，无法探测来自四面八方的超声波信号，最重要的是都需要外接电源对其进行供电或者充电。由于探测器需要在水下长期工作，而对其进行供电或者充电等操作极大地限制了其使用范围，降低了其使用效率。虽然现在已经发展出了一些利用压电和摩擦电性能进行驱动的发电机，但是这些发电机的结构比较复杂，不适合对低强度的声波和高频率的超声波进行高效的探测，因此目前还没有任何一种自驱动的声波或超声波探测器被发明出来，这大大影响了自驱动发电机的应用领域。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明的目的在于提供一种无需外部电源的新型超声探测仪，该探测器可以探测各个方向上的超声波信号。为此，本发明提供一种新型摩擦电纳米发电机和包含该发电机的有源（自驱动）超声和声波探测仪。

其中，本发明提供的摩擦电纳米发电机包括导电内芯和围绕在所述导电内芯外侧面形成闭合曲面的柔性外膜，其特征在于所述柔性外膜由内向外依次包括聚合物层、电极层和绝缘防腐层，所述聚合物层的厚度处于纳米尺度，且其内侧与导电内芯外侧面部分不接触或完全不接触，所述聚合物层和导电内芯分别由具有不同摩擦电性质的物质组成，从而使聚合物层在与导电内芯接触的过程中聚合物层得到电子，而导电内芯失去电子；

优选地，所述聚合物层内侧与所述导电内芯外侧面不接触部分的间距保持在8mm至10μm；

优选地，所述聚合物层由容易得到电子的高分子聚合物材料构成，可以选自聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈和聚双苯酚碳酸酯；

优选地，所述聚合物层面向所述导电内芯的表面上有纳米结构；优选包括纳米线、纳米颗粒、纳米棒、纳米管或纳米花；更优选包括由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列；

优选地，所述电极层由导电薄膜构成，优选金属薄膜或铟锡氧化物薄膜，更优选金属薄膜，例如铝膜、金膜、铜膜；

优选地，所述电极层通过将金属沉积在所述聚合物层表面而形成；

优选地，所述沉积方法优选为磁控溅射或蒸镀；

优选地，所述绝缘防腐层还具有防水功能，优选为三氧化二铝层；

优选地，所述绝缘防腐层通过在电极层表面沉积绝缘防腐材料而形成；

优选地，所述沉积方法优选为磁控溅射；

优选地，所述导电内芯具有能够导电的外侧面，该外侧面材料为金属、或铟锡氧化物ITO导电膜，所述导电内芯具有上下平行的两个端面和连接两个端面的封闭式外侧面，优选两个端面与外侧面的横截面积相等，更优选外侧面的纵轴与两个端面垂直，尤其是呈柱体、特别是圆柱体；

优选地，所述导电内芯可以为玻碳棒；

优选地，所述导电内芯的外表面上有纳米结构，优选包括纳米线、纳米颗粒、纳米棒、纳米管或纳米花，更优选包括由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列；

优选地，所述导电内芯外侧面与聚合物层内表面之间不接触部分的间距为5mm至50μm，优选1mm至100μm，更优选800μm至100μm；

优选地，所述导电内芯和所述电极层通过导线连到电压表上；