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大連海事大學徐敏義教授、鄒永久副教授團隊 Small：一種用于機械狀態監測的柔性自驅動導電海綿-硅膠基摩擦電式振動傳感器

2024-03-25 來源：高分子科技

在物聯網（IoT）和智能技術的快速發展背景下，無線分布式傳感器網絡（WSN）的廣泛應用推動了振動傳感器技術的進步。然而，傳統振動傳感器在柔性、適應性和自供電方面的局限性，使其難以滿足工業物聯網對智能化和綠色可持續發展的需求。尤其是在復雜形狀的機械部件上，如何實現高精度和連續的振動監測是一個亟待解決的問題。現有的傳感器多采用剛性材料，難以貼合曲面且無法自供電，需要頻繁更換電池或連接外部電源，這些限制增加了維護成本并降低了傳感器的實用性。因此亟需研制一種新型柔性自驅動的振動傳感技術。

為了在復雜環境中實現更直觀和有效的監測，以便在復雜機械表面上實現高靈敏振動監測，近日，大連海事大學徐敏義教授、鄒永久副教授團隊提出了一種新型的基于摩擦納米發電機的高度靈活和適應性強的振動傳感器，能夠適應多種不同探測表面，特別是復雜的曲面。相關工作以“A Flexible, Adaptive, and Self-powered Triboelectric Vibration Sensor with Conductive Sponge-silicone for Machinery Condition Monitoring”為題發表在期刊《Small》上。

該研究創新性地將硅膠和導電海綿結合在一起，設計了導電海綿-硅膠層，既有硅膠的可塑性、彈性和韌性，還有海綿的疏松多孔和可拉伸性的雙重優點，使其在柔性傳感器制造中具有顯著優勢，如制備過程簡易、成本低廉、耐久性好和拉伸性能強的等（圖1）。與當前大多數基于剛性結構的TENG傳感器相比，此設計顯著降低了對平面振動測量的依賴，解決了在復雜表面形態的安裝傳感器的難題。

經過一系列理論分析和實驗探究，證實了該傳感器在不同振動頻率和振幅下均能夠穩定產生電壓和電流信號，覆蓋了船舶主要機械的振動頻率范圍，展現出較高的靈敏度和適用性。此外，本文還開發了一個基于HF-TENG的振動檢測平臺，該平臺通過單片機對TENG的輸出電壓進行采集、處理和分析，實現了對機械振動信息的實時監控（圖2）。系統的無線傳輸和遠程控制功能進一步增強了其實用性，使監測數據能夠便捷地傳輸至用戶的移動設備或計算機，為機械設備的遠程管理和維護提供了有效的技術支持。

圖1.HF-TENG的應用場景、結構和工作原理。(a)HF-TENG應用場景示意圖。(b)高柔韌性HF-Teng的結構和導電海綿的掃描電子顯微鏡圖像。(c)導電海綿-硅膠層的拉伸試驗圖。(d)導電織物的彎曲測試圖。(e)導電海綿-硅膠層硅膠表面的掃描電子顯微鏡圖像。(f)導電織物表面的掃描電子顯微鏡圖像。(g)HF-TENG的工作機制。(h)對HF-Teng兩個電極之間的周期性電位變化進行COMSOL模擬。

圖2.HF-Teng傳感器在機械振動監測中的應用。(a)HF-TENG測試平臺示意圖。(b)基于柔性摩擦電傳感器的振動信號管理電路原理圖，包括數據采集、信號處理、無線傳輸和信號顯示。(c)使用和不使用電路的輸出電壓信號的比較。(d)使用手機APP進行實時振動監測的可視化平臺。在(e)鼓風機和(g)管路運行期間輸出HF-Teng的電壓信號。(f)鼓風機和(h)管路運行時電壓信號的傅里葉變換。

本研究提出了一種新型的全柔性摩擦電振動傳感器，該傳感器能夠適應多種不同的探測表面，尤其是復雜的曲面。這一突破性設計克服了傳統剛性TENG傳感器安裝及使用的局限性，使其能夠在表面形態復雜的設備上進行有效布局和振動監測。作者創新性地將導電海綿和硅膠融為一體，發揮了二者的優勢，使傳感器具有超柔性、可拉伸，靈敏度高等優點。最后，研究團隊開發基于HF-TENG的加速度檢測平臺，通過單片機對傳感器輸出進行實時監控，實現了無線傳輸和遠程控制功能，極大地提高了監測數據的可用性和便捷性。這種傳感器不僅為機械設備的高效監測提供了新思路，也預示著在物聯網時代智能、綠色和可持續的無線傳感器系統的發展潛力。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202309759

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（責任編輯：xu）

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