[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

说明书

本发明提供一种基于摩擦纳米发电机的自驱动加速度传感器，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侧的悬臂梁。悬臂梁和基板之间又栅格式电极层和栅格式介电材料层，当屏蔽外壳处于某一加速度下，在悬臂梁处和基板处对应的栅格分别产生正负电荷，从而产生电势差，通过检测对应栅格间电势差的大小，对获得的多组电势差数据进行计算处理即可获得加速度。本发明无需额外提供能源，仅凭借装置本身就能产生电信号,是一种使用限制少、效率高、绿色环保的装置，有着精度高、范围广、结构简单、抗干扰性好、节能环保和自驱动性等优点。

技术领域

本发明涉及静电发电领域，尤其是一种基于摩擦纳米发电机的自驱动加速度传感器。

背景技术

悬臂接触式自供能静电加速度传感器是将摩擦发电技术与系统惯性力原理良好的组合，在实际测量加速度时具有很好的应用性。目前常用的加速度传感器是电容式加速度传感器和电阻式加速度传感器。其中，电容式加速度传感器存在输出阻抗高，负载能力差，易受到外界干扰影响产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，输出特性非线性，寄生电容影响大的缺点；电阻式加速度传感器有较大的非线性，输出信号较弱，温漂、时漂较大，不适用于长期监测，在测试中需要映入外界电路或者进行理论计算补偿才能准确测量的缺点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于摩擦纳米发电机的自驱动加速度传感器，能够用于加速度的检测，并且无需额外提供能源，能够有自驱动工作，同时精度高、范围广。

具体技术方案是：

一种基于摩擦纳米发电机的自驱动加速度传感器，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。

进一步地，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；所述电信号检测装置集成在屏蔽外壳上。

一种如上所述的加速度传感器的加速度测量方法，该方法具体包括：

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状态下，悬臂在质量块惯性力作用下向加速度相反方向弯曲，栅格对的两个介电材料层分离，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加速度和挠度；通过数理统计算法对各栅格得到的挠度进行线性回归和筛选，获得最优的加速度值作为待测构件的加速度。

进一步地，通过数理统计算法对各栅格得到的挠度进行线性回归和筛选，获得最优的加速度值作为待测构件的加速度的方法具体为：

(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。