大连海事大学徐敏义教授、邹永久副教授团队 Small：一种用于机械状态监测的柔性自驱动导电海绵-硅胶基摩擦电式振动传感器

2024-03-25 来源：高分子科技

在物联网（IoT）和智能技术的快速发展背景下，无线分布式传感器网络（WSN）的广泛应用推动了振动传感器技术的进步。然而，传统振动传感器在柔性、适应性和自供电方面的局限性，使其难以满足工业物联网对智能化和绿色可持续发展的需求。尤其是在复杂形状的机械部件上，如何实现高精度和连续的振动监测是一个亟待解决的问题。现有的传感器多采用刚性材料，难以贴合曲面且无法自供电，需要频繁更换电池或连接外部电源，这些限制增加了维护成本并降低了传感器的实用性。因此亟需研制一种新型柔性自驱动的振动传感技术。

为了在复杂环境中实现更直观和有效的监测，以便在复杂机械表面上实现高灵敏振动监测，近日，大连海事大学徐敏义教授、邹永久副教授团队提出了一种新型的基于摩擦纳米发电机的高度灵活和适应性强的振动传感器，能够适应多种不同探测表面，特别是复杂的曲面。相关工作以“A Flexible, Adaptive, and Self-powered Triboelectric Vibration Sensor with Conductive Sponge-silicone for Machinery Condition Monitoring”为题发表在期刊《Small》上。

该研究创新性地将硅胶和导电海绵结合在一起，设计了导电海绵-硅胶层，既有硅胶的可塑性、弹性和韧性，还有海绵的疏松多孔和可拉伸性的双重优点，使其在柔性传感器制造中具有显著优势，如制备过程简易、成本低廉、耐久性好和拉伸性能强的等（图1）。与当前大多数基于刚性结构的TENG传感器相比，此设计显著降低了对平面振动测量的依赖，解决了在复杂表面形态的安装传感器的难题。

经过一系列理论分析和实验探究，证实了该传感器在不同振动频率和振幅下均能够稳定产生电压和电流信号，覆盖了船舶主要机械的振动频率范围，展现出较高的灵敏度和适用性。此外，本文还开发了一个基于HF-TENG的振动检测平台，该平台通过单片机对TENG的输出电压进行采集、处理和分析，实现了对机械振动信息的实时监控（图2）。系统的无线传输和远程控制功能进一步增强了其实用性，使监测数据能够便捷地传输至用户的移动设备或计算机，为机械设备的远程管理和维护提供了有效的技术支持。

图1.HF-TENG的应用场景、结构和工作原理。(a)HF-TENG应用场景示意图。(b)高柔韧性HF-Teng的结构和导电海绵的扫描电子显微镜图像。(c)导电海绵-硅胶层的拉伸试验图。(d)导电织物的弯曲测试图。(e)导电海绵-硅胶层硅胶表面的扫描电子显微镜图像。(f)导电织物表面的扫描电子显微镜图像。(g)HF-TENG的工作机制。(h)对HF-Teng两个电极之间的周期性电位变化进行COMSOL模拟。

图2.HF-Teng传感器在机械振动监测中的应用。(a)HF-TENG测试平台示意图。(b)基于柔性摩擦电传感器的振动信号管理电路原理图，包括数据采集、信号处理、无线传输和信号显示。(c)使用和不使用电路的输出电压信号的比较。(d)使用手机APP进行实时振动监测的可视化平台。在(e)鼓风机和(g)管路运行期间输出HF-Teng的电压信号。(f)鼓风机和(h)管路运行时电压信号的傅里叶变换。

本研究提出了一种新型的全柔性摩擦电振动传感器，该传感器能够适应多种不同的探测表面，尤其是复杂的曲面。这一突破性设计克服了传统刚性TENG传感器安装及使用的局限性，使其能够在表面形态复杂的设备上进行有效布局和振动监测。作者创新性地将导电海绵和硅胶融为一体，发挥了二者的优势，使传感器具有超柔性、可拉伸，灵敏度高等优点。最后，研究团队开发基于HF-TENG的加速度检测平台，通过单片机对传感器输出进行实时监控，实现了无线传输和远程控制功能，极大地提高了监测数据的可用性和便捷性。这种传感器不仅为机械设备的高效监测提供了新思路，也预示着在物联网时代智能、绿色和可持续的无线传感器系统的发展潜力。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202309759

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（责任编辑：xu）

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