振動(dòng)傳感器廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施健康、交通安全、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、智能電子產(chǎn)品、機(jī)械設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。然而，物聯(lián)網(wǎng)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展對(duì)振動(dòng)傳感提出了新的挑戰(zhàn)，尤其是在需要大量傳感器部署且缺乏電能供給的場(chǎng)合，以傳統(tǒng)傳感方案難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期有效的感知監(jiān)測(cè)。解決這一問(wèn)題的有效方案是開(kāi)發(fā)自驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)傳感器。同時(shí)，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，機(jī)械設(shè)備正朝著高度自動(dòng)化、智能化、高效率的方向發(fā)展。例如，無(wú)人船可承擔(dān)大規(guī)模、長(zhǎng)期間、低成本的作業(yè)任務(wù)。但是，機(jī)械設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，需要對(duì)其運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。一旦運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常，需要立即采取維護(hù)措施。傳感器可能經(jīng)常暴露在高溫、高濕的惡劣環(huán)境中，并且需要考慮到在大范圍部署傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)傳感器的成本與功耗，即使在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，傳感器仍需要正常工作。因此，自驅(qū)動(dòng)振動(dòng)傳感器具有獨(dú)特的研究與應(yīng)用價(jià)值。近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院丁文伯助理教授的智能感知與機(jī)器人（Smart Sensing and Robotics, SSR）課題組開(kāi)發(fā)了一種基于摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）的高靈敏度自驅(qū)動(dòng)振動(dòng)傳感器。利用柔性介電薄膜與多孔金屬材料構(gòu)建摩擦層，有效提升了TENG傳感精度，所制備的TENG傳感器可以檢測(cè)到1-2000 Hz頻率的振動(dòng)，即使在高溫高濕的環(huán)境中，TENG傳感器輸出的信號(hào)在波形上不失真（幅值改變）。在實(shí)驗(yàn)室條件下將TENG傳感器初步應(yīng)用于機(jī)械齒輪系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)，將機(jī)器學(xué)習(xí)與TENG信號(hào)識(shí)別相結(jié)合，達(dá)到了高準(zhǔn)度識(shí)別機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的目的，檢測(cè)結(jié)果可實(shí)時(shí)顯示在遠(yuǎn)程監(jiān)控或者移動(dòng)設(shè)備上。TENG傳感器同時(shí)可用于空氣壓縮機(jī)、熱風(fēng)槍、磚瓦空鼓等方面的振動(dòng)檢測(cè)，并通過(guò)嵌入式系統(tǒng)將運(yùn)行狀態(tài)在屏幕顯示。該工作為構(gòu)建TENG自驅(qū)動(dòng)傳感器提供了新思路，在機(jī)械故障智能診斷方向具有應(yīng)用潛力。
圖1. 摩擦納米發(fā)電機(jī)振動(dòng)傳感器（VS-TENG）的結(jié)構(gòu)與工作原理
圖2. VS-TENG機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院丁文伯助理教授為論文的通訊作者，王季宇博士為共同通訊作者，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2021級(jí)博士研究生趙洪發(fā)、2021級(jí)碩士研究生艾子豪、2020級(jí)碩士研究生舒明瑞為論文的共同第一作者。論文作者還包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院樓子瑞博士、2021級(jí)博士研究生蘇杰華、科研助理陸誠(chéng)越、2020級(jí)碩士研究生金雨超、2019級(jí)博士研究生王子涵、新加坡國(guó)立大學(xué)吳昌盛助理教授，以及深圳國(guó)際研究生院曹譯丹助理教授和徐曉敏副教授。該項(xiàng)目得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、深圳國(guó)際研究生院科研啟動(dòng)基金和交叉學(xué)科基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、深圳市穩(wěn)定支持項(xiàng)目、清華國(guó)強(qiáng)研究院等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202201132
參考資料：https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/98872.htm
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