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大連海事大學(xué)徐敏義教授、鄒永久副教授團(tuán)隊(duì) Small：一種用于機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測的柔性自驅(qū)動導(dǎo)電海綿-硅膠基摩擦電式振動傳感器
2024-03-25  來源：高分子科技

  在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和智能技術(shù)的快速發(fā)展背景下，無線分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的廣泛應(yīng)用推動了振動傳感器技術(shù)的進(jìn)步。然而，傳統(tǒng)振動傳感器在柔性、適應(yīng)性和自供電方面的局限性，使其難以滿足工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對智能化和綠色可持續(xù)發(fā)展的需求。尤其是在復(fù)雜形狀的機(jī)械部件上，如何實(shí)現(xiàn)高精度和連續(xù)的振動監(jiān)測是一個亟待解決的問題。現(xiàn)有的傳感器多采用剛性材料，難以貼合曲面且無法自供電，需要頻繁更換電池或連接外部電源，這些限制增加了維護(hù)成本并降低了傳感器的實(shí)用性。因此亟需研制一種新型柔性自驅(qū)動的振動傳感技術(shù)。


  為了在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)更直觀和有效的監(jiān)測，以便在復(fù)雜機(jī)械表面上實(shí)現(xiàn)高靈敏振動監(jiān)測，近日，大連海事大學(xué)徐敏義教授、鄒永久副教授團(tuán)隊(duì)提出了一種新型的基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的高度靈活和適應(yīng)性強(qiáng)的振動傳感器，能夠適應(yīng)多種不同探測表面，特別是復(fù)雜的曲面。相關(guān)工作以“A Flexible, Adaptive, and Self-powered Triboelectric Vibration Sensor with Conductive Sponge-silicone for Machinery Condition Monitoring”為題發(fā)表在期刊《Small》上。

  該研究創(chuàng)新性地將硅膠和導(dǎo)電海綿結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)了導(dǎo)電海綿-硅膠層，既有硅膠的可塑性、彈性和韌性，還有海綿的疏松多孔和可拉伸性的雙重優(yōu)點(diǎn)，使其在柔性傳感器制造中具有顯著優(yōu)勢，如制備過程簡易、成本低廉、耐久性好和拉伸性能強(qiáng)的等（圖1）。與當(dāng)前大多數(shù)基于剛性結(jié)構(gòu)的TENG傳感器相比，此設(shè)計(jì)顯著降低了對平面振動測量的依賴，解決了在復(fù)雜表面形態(tài)的安裝傳感器的難題。


  經(jīng)過一系列理論分析和實(shí)驗(yàn)探究，證實(shí)了該傳感器在不同振動頻率和振幅下均能夠穩(wěn)定產(chǎn)生電壓和電流信號，覆蓋了船舶主要機(jī)械的振動頻率范圍，展現(xiàn)出較高的靈敏度和適用性。此外，本文還開發(fā)了一個基于HF-TENG的振動檢測平臺，該平臺通過單片機(jī)對TENG的輸出電壓進(jìn)行采集、處理和分析，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)械振動信息的實(shí)時監(jiān)控（圖2）。系統(tǒng)的無線傳輸和遠(yuǎn)程控制功能進(jìn)一步增強(qiáng)了其實(shí)用性，使監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠便捷地傳輸至用戶的移動設(shè)備或計(jì)算機(jī)，為機(jī)械設(shè)備的遠(yuǎn)程管理和維護(hù)提供了有效的技術(shù)支持。 


圖1.HF-TENG的應(yīng)用場景、結(jié)構(gòu)和工作原理。(a)HF-TENG應(yīng)用場景示意圖。(b)高柔韌性HF-Teng的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電海綿的掃描電子顯微鏡圖像。(c)導(dǎo)電海綿-硅膠層的拉伸試驗(yàn)圖。(d)導(dǎo)電織物的彎曲測試圖。(e)導(dǎo)電海綿-硅膠層硅膠表面的掃描電子顯微鏡圖像。(f)導(dǎo)電織物表面的掃描電子顯微鏡圖像。(g)HF-TENG的工作機(jī)制。(h)對HF-Teng兩個電極之間的周期性電位變化進(jìn)行COMSOL模擬。
 

圖2.HF-Teng傳感器在機(jī)械振動監(jiān)測中的應(yīng)用。(a)HF-TENG測試平臺示意圖。(b)基于柔性摩擦電傳感器的振動信號管理電路原理圖，包括數(shù)據(jù)采集、信號處理、無線傳輸和信號顯示。(c)使用和不使用電路的輸出電壓信號的比較。(d)使用手機(jī)APP進(jìn)行實(shí)時振動監(jiān)測的可視化平臺。在(e)鼓風(fēng)機(jī)和(g)管路運(yùn)行期間輸出HF-Teng的電壓信號。(f)鼓風(fēng)機(jī)和(h)管路運(yùn)行時電壓信號的傅里葉變換。

  本研究提出了一種新型的全柔性摩擦電振動傳感器，該傳感器能夠適應(yīng)多種不同的探測表面，尤其是復(fù)雜的曲面。這一突破性設(shè)計(jì)克服了傳統(tǒng)剛性TENG傳感器安裝及使用的局限性，使其能夠在表面形態(tài)復(fù)雜的設(shè)備上進(jìn)行有效布局和振動監(jiān)測。作者創(chuàng)新性地將導(dǎo)電海綿和硅膠融為一體，發(fā)揮了二者的優(yōu)勢，使傳感器具有超柔性、可拉伸，靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。最后，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)基于HF-TENG的加速度檢測平臺，通過單片機(jī)對傳感器輸出進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了無線傳輸和遠(yuǎn)程控制功能，極大地提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)的可用性和便捷性。這種傳感器不僅為機(jī)械設(shè)備的高效監(jiān)測提供了新思路，也預(yù)示著在物聯(lián)網(wǎng)時代智能、綠色和可持續(xù)的無線傳感器系統(tǒng)的發(fā)展?jié)摿Α?/span>


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202309759

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（責(zé)任編輯：xu）
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