【儀表網 研發快訊】近日，上海交通大學材料科學與工程學院金屬基復合材料國家重點實驗室郭益平教授課題組在基于摩擦納米發電機的水聽器研究中取得重要進展，研究成果以“A non-contact triboelectric vibration sensor with a spiral floating electrode structure for low-frequency vibration monitoring”為題發表在高水平期刊Nano Energy上。(DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110437)
摩擦納米發電機(TENG)作為一項新興技術，在傳感領域展現了巨大潛力。水下甚低頻(Very Low Frequency, VLF，低于100 Hz)聲波信號，由于其波長較長，能夠穿透較深的海水，可用于海底資源、海底地震預報等領域，然而，目前壓電水聽器在VLF頻段仍然缺乏足夠的靈敏度。為解決這一問題，該研究開發了一種創新的非接觸式摩擦電傳感器，其獨特的螺旋浮動電極結構實現了最高100 V/g的靈敏度，是商用壓電傳感器的500倍。非接觸設計與集成結構顯著提升了其耐用性，經過30萬次循環測試性能依然保持穩定。該傳感器還展現出優異的加速度線性度(R² = 99.95 %)和頻率一致性，與理論分析相吻合。該傳感器被進一步制備為水聽器，專注于甚低頻的水下聲波監測。根據實際的水下測試結果，在10至100Hz頻率范圍內，其靈敏度顯著優于商用8105水聽器，在65Hz時，靈敏度提升了31.7dB，并展現出優異的方向性。該工作憑借低頻高靈敏度和卓越的耐用性，展現了在水下聲學監測等領域的廣闊應用前景，進一步拓展了摩擦納米發電機在實際場景中的應用。
結構示意圖
(a) 水文測量與地質資源勘探示意圖。(b) SFE-TEVS 結構的3D爆炸視圖。(c) 其剖面圖。(d) 浮動電極的振動狀態示意圖。(e) SFE-TEVS 的實物照片。
性能測試圖
(a) 在0.2g加速度、100Hz下，不同粗糙度(500目、1000目、2000目)及電荷注入后的性能增強效果。(b) 在0.2g加速度、65Hz下，SFE-TEVS與壓電傳感器的性能對比。(c) 在0.2g加速度、10至100Hz頻率范圍內，SFE-TEVS與壓電傳感器的性能對比。(d) 在0.2g加速度下，SFE-TEVS從10至1000Hz的頻率響應曲線。(e) 與文獻[10,26–32]中的摩擦電振動傳感器的靈敏度對比。(f) 在0.2g加速度、100Hz下，不同角度的輸出性能。(g) 在0.1至1.9g加速度、100Hz下，加速度的線性度。(h) 在0.2g加速度、100Hz下，SFE-TEVS在30萬次循環中的穩定性。
應用演示圖
(a) 采用有源地震技術探測地下資源和繪制地下地質結構的示意圖。(b) 在1-5Hz頻率范圍、0.1g加速度下，SFE-TEVS的輸出信號。(c) 監測空氣壓縮機振動的照片。(d) 機器啟停狀態下生成的信號。(e) 采用PU密封的SFE-TEVS與標準8105水聽器的照片。(f) 水下靈敏度與方向性測試裝置示意圖。(g) SFE-TEVS與標準8105水聽器的靈敏度對比。(h) SFE-TEVS的方向性。
論文第一作者為上海交通大學材料科學與工程學院2023級碩士生李源，郭益平教授為通訊作者，其他合作者包括李其超，馬雄超及李興佳，研究工作得到了上海交通大學“深藍計劃”重點項目(SL2022ZD103)的支持。
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