[发明专利]一种基于摩擦纳米发电机的自驱动加速度传感器

权利要求书

1.一种基于摩擦纳米发电机的自驱动加速度传感器，其特征在于，包括屏蔽外壳，屏蔽外壳内设有接触式摩擦发电装置，接触式摩擦发电装置包括竖直设置在屏蔽外壳内的基板以及两个分别设置在基板两侧的悬臂梁，悬臂梁下端固定在屏蔽外壳上，上端固定一质量块；所述的悬臂梁和基板之间依次设置栅格式电极层一、栅格式介电材料层一、栅格式介电材料层二、栅格式电极层二，所述的栅格式介电材料层一、栅格式介电材料层二的对应的栅格组成栅格对，且两个介电材料层的极性相反；

所述自驱动加速度传感器还包括一电信号检测装置，与电极层相连，用于检测两个悬臂梁与基板各个栅格之间的电势差；

初始状态下，悬臂梁与基板间的两个介电材料层接触，由于两种介电材料层极性相反，两个介电材料层表面分别形成极性相反的电荷；当屏蔽外壳处于某一加速度下，悬臂梁在质量块惯性力作用下向加速度相反方向弯曲，对应栅格的两种介电材料分离，不同高度的介电材料产生不同的电势差，通过检测这些电势差的大小，即可获得每一栅格处的挠度和加速度，通过概率统计算法对所得各栅格处挠度和加速度进行处理即可获得比单个加速度值更为精确的加速度值。

2.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的自驱动加速度传感器，其特征在于，所述电信号检测装置集成在屏蔽外壳上。

3.一种基于权利要求1所述的加速度传感器的加速度测量方法，其特征在于，该方法具体包括：

(1)将t₀时刻得到的n个栅格的n个电压信号V₁(t₀)、V₂(t₀)......V_n(t₀)带入式(1)、(2)，得到每个栅格处的挠度值y(x_i,t₀)：

I(t)＝V(t)/R (1)

其中d₀＝d₁/ε_r1+d₂/ε_r2为介电材料的等效厚度，S为单个栅格式介电材料的接触面积，σ是接触摩擦产生的电荷密度，R是负载电阻；

(2)根据步骤(1)得到的挠度进行拟合，表示成下式：

其中Y为挠度向量，β为未知参数向量，ε为随机误差向量，X为结构矩阵，I_n为单位矩阵；

(3)用最小二乘法对模型参数进行估计，记求使Q(β₀,β₁,β₂)达到最小的则

(4)求解上述正规方程组，β的最小二乘估计为

(5)记为拟合值向量，为残差向量，为残差平方和，则参数σ²的无偏估计s²为

舍弃残差e_i小于-s和大于s的数据，剩余m个挠度数据，对应

y(t₀)₁、y(t₀)₂......y(t₀)_m，再将挠度数据代入式(8)，得到对应的加速度a(t₀)₁、a(t₀)₂......a(t₀)_m

其中，中EI为悬臂抗弯刚度，m为质量块的质量，l为悬臂固定端到质量块质心的距离；

再由下式计算剩余加速度样本均值和样本方差：

(7)舍弃掉小于和大于的加速度值，对剩余的k个数据再由下式计算最终的加速度值，作为待测构件的加速度

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