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王中林院士ACS Nano:磁场调节的摩擦电发电机实现的自供电多功能运动传感器

王中林院士ACS Nano:磁场调节的摩擦电发电机实现的自供电多功能运动传感器

王中林院士ACS Nano:磁场调节的摩擦电发电机实现的自供电多功能运动传感器

【引言】

运动传感器可以测量位移、速度、加速度、方向以及其他与运动有关的参数,在航空航天、无人驾驶车辆、大型机械结构测试、智能手机等众多领域发挥着重要且不可替代的作用。现有的商业运动传感器包括编码器、同步器和解算器、加速度计、陀螺仪和罗盘。尽管性能优越,但商用运动传感器通常是单一功能,只能在特定条件下工作并且有时可能无法满足系统小型化和集成化的要求。在这种背景下,多功能传感器已经吸引了来自学术界和工业界越来越多的兴趣。然而,目前的多功能传感器通常是几个实际独立工作的单功能传感器的组合。另一方面,随着物联网的发展,传感器旨在无需维护的情况下实现长时间工作。因此,需要外部电源进行传感的商用运动传感器将无法满足要求。有一些研究人员使用压电效应来构建加速度计,这是自供电传感的一个里程碑。然而,压电传感器的输出信号相对较小,可能受到环境噪声的影响。2012年,由王中林院士团队发明的摩擦纳米发电机(TENG)已被证明是能量收集和自供电传感的优势解决方案。目前,TENG已成功应用于构建自供电的运动传感器。例如,带有单个电极的球形TENG被设计用作自供电加速度传感器,该传感器可以检测任何激励的存在,但无法区分其方向。基于三个独立的TENG,一个自供电的3D加速度传感器可以用来测量任何方向的矢量加速度。不幸的是,传感器的体积不可避免地显着增加;且目前还没有基于TENG的真正多功能运动传感器的研究。

 

【成果简介】

近日,佐治亚理工学院王中林院士课题组(通讯作者)在国际顶级期刊 ACSNano上成功发表 “Self-Powered Multifunctional Motion Sensor Enabled by Magnetic Regulated Triboelectric Nanogenerator”的论文。吴治峄副研究员、丁文伯博士和戴叶婧副教授同为论文第一作者。随着物联网的快速发展,系统小型化和集成化的要求加速了对多功能传感器的研究。基于摩擦纳米发电机,本文提出了一种基于TENG的带磁调节的自供电多功能运动传感器(MFMS),该传感器能够检测多种运动参数,包括线性和旋转运动的方向,速度和加速度。 MFMS由TENG模块、磁性调节模块和丙烯酸外壳组成。 TENG模块是由具有六个铜电极(内圆电极、外圆电极和其间的四个弧形电极)的聚四氟乙烯(PTFE)板和自由放置其上的一个磁盘(MD)共同构成。 MFMS的移动将导致MD在PTFE板上滑块进而激发电极产生电压输出。从四个弧形电极获取的电压波形可用于测量线性和旋转运动的方向以及旋转速度。根据内部和外部圆形电极的电压波形,可以提取时间特征以确定线性运动的加速度。 MD与植入壳体内的固定小磁柱(MC)一起形成磁调节系统。利用MC的磁性吸引力,每次移动后MD总能回到中心,保证为下一次运动检测做好准备。理论分析和实验测试证明了MFMS的可行性和有效性。通过考虑电极结构和信号处理的复杂程度,除了内外圆电极,传感器测试样品的弧形电极数量指定为四。基于此,该样品可以准确区分八个运动方向及其加速度,并确定转速和方向。此外,在磁调节系统的作用下,由于MC所施加的磁吸引力,MD将自动返回到中心以准备下一轮检测,这使得所提出的传感器在实践中更加适用。

 

【全文解析】

王中林院士ACS Nano:磁场调节的摩擦电发电机实现的自供电多功能运动传感器

图1 自供电多功能运动传感器工作原理的结构和图示。a)MFMS的示意图。b)MFMS的照片。c)磁场调节系统的力学分析图。d)MFMS发电的工作原理示意图。

王中林院士ACS Nano:磁场调节的摩擦电发电机实现的自供电多功能运动传感器

图2 分别使用Maxwell 14.0和COMSOL Multiphysics 5.3的磁调节系统和MFMS的六个电极的仿真结果。a, b)分别在平衡位置和不平衡位置处的MD的磁性分布。c)MD在中心位置的静电电位分布。d-f)MD位于两个弧形电极之间不同位置时的静电电位分布。 

王中林院士ACS Nano:磁场调节的摩擦电发电机实现的自供电多功能运动传感器

图3 直线运动方向测量的工作原理。a)MD沿东方向移动的示意图。b)MD从西向东移动的四个电极静电势的模拟结果。c)MD沿着东方向移动的四个电弧电极的电压波形。d)MD沿东北方向移动的示意图。e)MD从西北向东北移动的四个电极静电势的模拟结果。f)MD沿着东北方向移动的四个电弧电极的电压波形。

 

王中林院士ACS Nano:磁场调节的摩擦电发电机实现的自供电多功能运动传感器

 

图4 旋转参数和线性加速度测量的工作原理以及MFMS的应用。a, b)MD顺时针方向旋转的四个电弧电极的静电势和电压波形仿真结果。c, d)MD沿内部和外部圆电极沿任意方向进行直线运动时的静电势和电压波形仿真结果。e)时间与加速度之间的关系。f)MFMS的应用。

【总结与展望】

总之,基于磁场调节的TENG,一个自供电的多功能运动传感器已被设计和制造,以同时测量旋转方向和加速旋转以及线性运动参数。磁调节系统通过将磁吸引力应用于MFMS的移动部分来帮助它随时准备进行测量。多功能运动传感器的传感功能已经成功被分析和测试,并且在两个基于LabVIEW的MFMS运动应用中进一步得到了验证。基于两个圆形电极,MFMS可以作为自供电的2D加速度传感器。在弧形电极的作用下,MFMS也可以用作自供电旋转参数传感器和方向传感器。当MFMS由不同方向的线性运动触发时,弧形电极具有不同的电压输出,其与运动部件和弧形电极之间的对应区域相关。这表明运动方向也可以通弧形电极之间开路电压的比率来测量。但是,该对应的区域并不总是有着显著的变化,特别是当靠近弧电极中心轴的运动方向时。因此,为了确保测量的准确性和可靠性,MFMS仅用于检测八个线性运动方向,这可以通过优化电弧电极的形状来进一步改善。

 

Zhiyi Wu, Wenbo Ding, Yejing Dai, Kai Dong, Changsheng Wu, Lei Zhang, Zhiming Lin,Jia Cheng, Zhong Lin Wang, Self-Powered Multifunctional Motion Sensor Enabled by Magnetic Regulated Triboelectric Nanogenerator, ACS Nano, DOI:10.1021/acsnano.8b01589

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