基于摩擦纳米发电机与压力传感器阻抗匹配效应的自驱动重量检测系统

智能化物联网的快速发展使得传感网络深入人们的生活,该技术通过使用大量的独立移动式传感器替代传统的有限的离散传感器,构成信息传感网络来连接用户主体和互联网,进行通信、身份识别、定位、跟踪、监控和管理,并用互联网收集分散的传感信号进行统计分析,可以得到精确可靠的信息。然而,对于数量庞大连续工作的传感器来说,庞大复杂的供电系统已成为其网络式发展的瓶颈。

实现收集环境中的能量进行自驱动传感的常规策略主要包括以下两种:一是通过收集太阳能直接为传感器件供电,但传统的光伏电池工作状态取决于使用环境和天气条件,在一些特殊环境如矿井巷道、地下管线、远洋深海等缺乏足够光照情况下无法正常使用,且昼夜交替,太阳能的间歇性和不可预测性也决定其并不总是可用的;二是基于摩擦纳米发电机,将摩擦材料同时作为传感材料,当机械运动或外界环境发生变化时,摩擦纳米发电机的电学输出发生改变,从而起到主动式传感作用,然而,这无疑限制了材料的选择范围,且仍需外部电路检测,易受外界干扰,可靠性不高。因此,通过开发和利用周围环境能量,建立一套基于摩擦纳米发电机的稳定可靠的自驱动传感系统是非常有必要的。

近日,来自苏州大学孙旭辉教授课题组的硕士生谢欣凯(第一作者)和文震博士(通讯作者之一)等通过耦合摩擦起电效应和力致阻变的阻抗匹配效应,提出了一种基于摩擦纳米发电机和压阻式传感器的新型自驱动压力传感系统,并应用于产品重量检测。这种独特的自驱动传感系统将摩擦纳米发电机和压力传感器分开,基于摩擦纳米发电机与传感器的阻抗匹配特性,利用传送带转轮运转产生的机械能为压力传感器供电,可实现重物检测报警,具有高可靠性和适用性。从原理出发,根据摩擦纳米发电机的本征方程(V-Q-x关系),整个集总参数等效电路模型可以由一个理想电压源和一个电容的串联来表示。由于摩擦纳米发电机的内部阻抗主要由它的固有电容所贡献,其输出由内部阻抗与外部负载阻抗的比配程度决定。将摩擦纳米发电机与匹配量级的电阻式传感器串联,其两端电压输出信号随传感器电阻变化而发生改变,从而实现传感检测。对于该自驱动压力传感系统,随着重物质量从1 kg增加至20 kg,输出电压从46.2 V明显升高至168.6 V,响应及恢复时间分别为1.2 s和2.3 s,具有良好的稳定性和可靠性。通过将一种独立层模式的转盘式摩擦纳米发电机置于传送带转轮处,将一个基于多壁碳纳米管的柔性压阻式传感器安装在履带上,并联发光二极管作为警报灯,该自驱动传感系统可用于检测产品质量是否合格。当重物质量不达标时,该压力传感器电阻较小,其两端负载电压较小,不能达到LED的阈值电压,LED不发光;当重物质量达标时,该压力传感器电阻大幅增大,其两端负载电压达到LED的阈值电压,LED发光显示产品质量合格。这种新型的自驱动传感系统无需外接电源,巧妙利用了摩擦纳米发电机与传感器的阻抗匹配特性,适用于各种电阻型物理传感器,材料选择范围广,可靠性高,应用前景十分广阔。相关论文发表在近期的Advanced Materials Technologies(DOI: 10.1002/admt.201800054)上。

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