微納機(jī)電系統(tǒng)的快速發(fā)展,對(duì)現(xiàn)代傳感器提出了微小集成和功能集成的新要求,而傳統(tǒng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳感器在這方面很難實(shí)現(xiàn)本質(zhì)性的突破。另一方面,隨著納米科學(xué)的發(fā)展,摩擦納米發(fā)電自被發(fā)明后,便得到了廣泛的關(guān)注和研究,它是基于兩種不同極性材料的摩擦起電與靜電感應(yīng)效應(yīng)相互耦合的能量收集技術(shù),可以將外部的機(jī)械激勵(lì)轉(zhuǎn)化為電能輸出,在能源捕獲效率、研制成本、材料選擇范圍和功能集成性等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。摩擦納米發(fā)電機(jī)可以感應(yīng)外部機(jī)械激勵(lì)變化的特征,因此也可以將其應(yīng)用于機(jī)械傳感。本文基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的理論,分別針對(duì)三種常見的機(jī)械運(yùn)動(dòng)形式研制了摩擦電式運(yùn)動(dòng)傳感器,并進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究。研制了一種可以與軸承集成的獨(dú)立層式摩擦電轉(zhuǎn)速傳感器,在原有軸承座結(jié)構(gòu)上做微小的改動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量的功能。采用有限元分析的手段對(duì)其電位分布和工作原理進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,并系統(tǒng)研究了其輸出特性的變化規(guī)律,證明了其可以為一些低功耗的電子器件提供電能。通過(guò)提取不同轉(zhuǎn)速條件下該傳感器的信號(hào)特征,對(duì)傳感傳感器進(jìn)行標(biāo)定。此外,通過(guò)改變傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行對(duì)比測(cè)試,對(duì)其一致性、穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證,最后,通過(guò)搭建相應(yīng)的試驗(yàn)測(cè)試臺(tái),對(duì)其傳感精度進(jìn)行評(píng)估。研... 

【文章來(lái)源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁(yè)數(shù)】：71 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

垂直接觸-分離模式摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作原理[28]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-3-1.2.1.2水平滑動(dòng)式摩擦發(fā)電機(jī)ZhuGuang[30]等人于2013年又制作了一種水平滑動(dòng)結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī)。該模式下的摩擦納米發(fā)電機(jī)與垂直-接觸分離模式下的摩擦納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)相似，在金屬電極的表面沾粘上兩個(gè)電極極性相差很大的納米薄膜，結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。使用具有不同摩擦極性的尼龍和聚四氟乙烯聚合物薄膜，通過(guò)在兩個(gè)聚合物薄膜表面進(jìn)行納米刻蝕提高器件的滑動(dòng)摩擦效率，進(jìn)而獲得高能量轉(zhuǎn)換率的摩擦發(fā)電機(jī)。水平滑動(dòng)模式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得兩種電介質(zhì)薄膜表面能夠進(jìn)行更加充分的滑動(dòng)摩擦，因此信號(hào)輸出功率顯著提高。當(dāng)兩個(gè)電極極性相差很大的薄膜發(fā)生摩擦接觸時(shí)，兩個(gè)器件的接觸表面會(huì)帶上等量的異種電荷，當(dāng)接觸界面在外界機(jī)械載荷的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦?xí)r，兩個(gè)電極表面將產(chǎn)生感應(yīng)電位差。此時(shí)若通過(guò)導(dǎo)線連接外部負(fù)載，電路中的自由電子會(huì)被驅(qū)動(dòng)，以補(bǔ)償摩擦電荷產(chǎn)生的感應(yīng)電位差，進(jìn)而輸出電信號(hào)。當(dāng)兩個(gè)電介質(zhì)薄膜表面發(fā)生周期性的滑動(dòng)摩擦?xí)r，會(huì)導(dǎo)致接觸界面間的感應(yīng)電場(chǎng)發(fā)生周期性的變化進(jìn)而誘導(dǎo)金屬電極上的電荷發(fā)生往復(fù)流動(dòng)，產(chǎn)生信號(hào)輸出。這種水平滑動(dòng)式的發(fā)電模式適用于滑動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)等形式機(jī)械能的收集。圖1-2水平滑動(dòng)模式摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作原理[30]1.2.1.3單電機(jī)式摩擦納米發(fā)電機(jī)YangYa[31]等人于2014年開發(fā)制作了一種單電極模式的摩擦納米發(fā)電機(jī)。這種結(jié)構(gòu)模式的納米發(fā)電機(jī)綜合了以上兩種運(yùn)動(dòng)模式的特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在摩擦對(duì)象可以自由的驅(qū)動(dòng)，并且不受納米發(fā)電機(jī)本體結(jié)構(gòu)和安裝空間的限制，只需要設(shè)置一個(gè)自由運(yùn)動(dòng)的工作電極，金屬電極通過(guò)導(dǎo)線連接外部負(fù)載同時(shí)接入零電勢(shì)點(diǎn)形成回路，結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。金屬導(dǎo)電電極安裝在聚合物薄膜的背面，導(dǎo)電電極與外部負(fù)載連接后，直接接?

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-4-面觸控、液體流動(dòng)、飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)等環(huán)境下機(jī)械能的采集[32]。圖1-3單電機(jī)模式摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作原理[31]1.2.1.4獨(dú)立層式摩擦納米發(fā)電機(jī)Wang[33]等人于2015年制作了一種新型的獨(dú)立層模式摩擦納米發(fā)電機(jī)。它是在之前單電極結(jié)構(gòu)模式的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，克服了單電機(jī)模式需要接地才能形成回路的結(jié)構(gòu)缺陷，因此獨(dú)立層模式的摩擦納米發(fā)電機(jī)本體也能夠自由移動(dòng)，其特征是兩個(gè)相連的金屬電極與聚合物薄膜并聯(lián)連接，同時(shí)薄膜層也起到保護(hù)電極的作用，如圖1-4所示。當(dāng)摩擦電極層受到外部機(jī)械激勵(lì)的作用，兩個(gè)薄膜界面會(huì)發(fā)生滑動(dòng)接觸，進(jìn)而薄膜表面會(huì)帶上等量異號(hào)的感應(yīng)電荷，往復(fù)的接觸摩擦?xí)诮缑骈g產(chǎn)生變化的感應(yīng)電勢(shì)。此時(shí)，電路負(fù)載中的自由電荷會(huì)因?yàn)楦袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用而沿著電勢(shì)差的方向產(chǎn)生定向的流動(dòng)，從而產(chǎn)生信號(hào)輸出。這種獨(dú)立層結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)模式適用于物體滾動(dòng)、液體流動(dòng)等形式機(jī)械能量的收集[34]。a)獨(dú)立層模式的典型器件結(jié)構(gòu)b)準(zhǔn)短路條件下經(jīng)過(guò)一個(gè)完整周期的運(yùn)動(dòng)過(guò)程圖1-4獨(dú)立層模式摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作原理[33]

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]摩擦納米發(fā)電機(jī)在自驅(qū)動(dòng)微系統(tǒng)研究中的現(xiàn)狀與展望[J]. 張弛,付賢鵬,王中林.  機(jī)械工程學(xué)報(bào). 2019(07)
[2]微納機(jī)電系統(tǒng)（MEMS/NEMS）前沿[J]. 李志宏.  中國(guó)科學(xué):信息科學(xué). 2012(12)
[3]光電軸角編碼器發(fā)展現(xiàn)狀分析及展望[J]. 湯天瑾,曹向群,林斌.  光學(xué)儀器. 2005(01)
[4]光電軸角編碼器的發(fā)展動(dòng)態(tài)[J]. 董莉莉,熊經(jīng)武,萬(wàn)秋華.  光學(xué)精密工程. 2000(02)



本文編號(hào)：3607030