一種振動探測器和探測方法
【專利摘要】本發明提供一種振動探測器，包括納米發電機和檢測裝置，其中，所述納米發電機，用于在振動物體的振動作用下隨著所述振動產生形變，并在所述納米發電機的兩電極之間產生電信號；所述檢測裝置，用于檢測所述納米發電機產生的電信號，并根據所述電信號獲得所述振動物體的振動頻率或振幅。相應地，本發明還提供一種振動探測方法。本發明的振動探測器，無需為納米發電機提供電源，由振動物體的振動驅動納米發電機產生電信號，通過檢測裝置分析出振動的頻率和幅度。可以應用在設備振動探測、橋梁振動檢測、健康監測等領域中，也可用于一些危險的和不適于應用外部能源的特殊環境。
【專利說明】一種振動探測器和探測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及傳感器領域，特別是涉及一種探測振動的振動探測器和探測方法。
【背景技術】
[0002]在現有技術中，有關振動探測器的種類很多，以常用的激光測振儀為例，激光測振儀的核心是一臺高精密激光干涉儀和一臺信號處理器，激光干涉儀通過收集被測物體表面反射回的微弱激光，經光線干涉產生頻移信號，信號處理器將頻移信號轉換為速度和位移信號，獲得被測物體的振動信息。激光干涉儀和信號處理器都是精密設備，不僅體積較大、結構復雜、設備成本高，而且需要為激光測振儀提供外部電源才能進行探測，這些缺點限制了激光測振儀的廣泛應用。

【發明內容】

[0003]為了克服上述現有振動探測器需要外部電源供電的缺陷，本發明的目的在于提供一種自驅動的振動探測器。
[0004]為了達到上述目的，本發明提供一種振動探測器，包括納米發電機和檢測裝置，其中，
[0005]所述納米發電機，用于在振動物體的振動作用下隨著所述振動產生形變，并在所述納米發電機的兩電極之間產生電信號；
[0006]所述檢測裝置，用于檢測所述納米發電機產生的電信號，并根據所述電信號獲得所述振動物體的振動頻率或振幅。
[0007]優選地，所述納米發電機包括:
[0008]柔性基底；
[0009]所述柔性基底上的底電極；
[0010]所述底電極上的壓電層；
[0011]所述壓電層上的介質層；
[0012]所述介質層上的頂電極。
[0013]優選地，所述納米發電機的基底或頂電極貼附在所述振動物體的振動表面上。
[0014]優選地,包括納米發電機與所述振動物體之間包括介質,所述振動物體的振動能量通過所述介質傳遞至所述納米發電機使所述納米發電機產生形變。
[0015]優選地,所述介質為氣體、液體或彈性固體材料。
[0016]優選地，所述柔性基底為柔性聚合物或可彎曲的金屬片/箔。
[0017]優選地，所述壓電層的材料為ZnO、Pb(Zr，Ti) 03、BaTi03或GaN。
[0018]優選地，所述檢測裝置為電壓或電流信號的檢測裝置。
[0019]相應地，本發明還提供一種振動探測方法，包括:
[0020]振動物體產生振動；
[0021]所述振動使納米發電機發生形變，并在所述納米發電機的兩電極之間產生電信號;
[0022]檢測所述納米發電機隨所述振動產生的電信號，并根據所述電信號獲得所述振動物體的振動頻率或振幅。
[0023]優選地，所述納米發電機粘貼在所述振動物體上，所述振動使納米發電機發生形變步驟為:
[0024]所述振動物體振動時的表面使納米發電機發生形變。
[0025]優選地，所述納米發電機與所述振動物體之間包括介質，所述振動使納米發電機發生形變步驟為:
[0026]所述振動物體的振動引起所述介質形變；
[0027]所述介質形變帶動所述納米發電機產生形變。
[0028]與現有技術相比，本發明的振動探測器具有下列優點:
[0029]本發明提供一種振動探測器和探測方法，所述振動探測器包括納米發電機和檢測裝置，其中，所述納米發電機，用于在振動物體的振動作用下隨著所述振動產生形變，并在所述納米發電機的兩電極之間產生電信號；所述檢測裝置，用于檢測所述納米發電機產生的電信號，并根據所述電信號獲得所述振動物體的振動頻率或振幅。采用本發明的振動探測器，無需為納米發電機提供電源，由振動物體的振動驅動納米發電機產生電信號，通過檢測裝置分析出振動的頻率和幅度。振動探測器的結構簡單，制備和運行成本低，可以應用在設備振動探測、橋梁振動檢測、健康監測等領域中，也可用于一些危險的和不適于應用外部能源的特殊環境，例如低溫或輻射環境中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]通過附圖所示，本發明的上述及其它目的、特征和優勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。并未刻意按實際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點在于示出本發明的主旨。
[0031]圖1為本發明第一實施例振動探測器的結構示意圖；
[0032]圖2為振動探測器中納米發電機的結構示意圖；
[0033]圖3至圖5為采用本發明的振動探測方法和激光干涉探測方法探測鼓面振動頻率結果曲線；
[0034]圖6為發明第二實施例振動探測器的結構示意圖；
[0035]圖7為本發明振動探測方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0036]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0037]現有的振動探測器中，探測裝置的工作都需要外部電源供電，這不僅增加了設備成本，探測器的結構也比較復雜。納米發電機的發明可以被視為利用納米壓電發電科學現象到實際應用發展過程中的一個重大突破，迄今為止不同結構的納米發電機被構造出，極大的拓寬了納米發電機轉化自然界浪費和閑置的能量源為電能的能力，同時也為監測這些能量源提供了一個全新的手段。只要納米發電機能夠感受到形變，并且這一形變所產生的壓電勢能夠在兩電極間產生電勢差，那么該形變就以電學信號的形式被探測到，同時，若產生的形變就有一定的頻率，那么這一頻率將被探測到。基于納米發電機的工作原理，本發明提供的振動探測器的技術方案為，通過納米發電機感知振動物體的振動，直接測量和分析納米發電機產生的電學信號就可獲得振動物體的頻率特征和振幅等信息。
[0038]本發明的采用本發明的振動探測器，在整個探測過程中，無需外部電源驅動探測器，也無需外部設備來感應頻率信號。
[0039]下面結合附圖詳細介紹本發明的【具體實施方式】。
[0040]實施例一:
[0041]參見圖1，本實施例的振動探測器，包括納米發電機110和檢測裝置120，其中，納米發電機110貼附在振動物體SI的振動表面上，納米發電機110用于在振動物體SI的振動作用下隨著所述振動產生形變，并在所述納米發電機的兩電極之間產生電信號；檢測裝置120，用于檢測納米發電機110產生的電信號，并根據所述電信號獲得所述振動物體SI的振動頻率或振幅。
[0042]當振動物體SI產生振動時，貼附在振動物體SI振動表面上的納米發電機110隨著所述振動表面發生形變，在納米發電機的兩電極之間產生電信號，檢測裝置根據該電信號即可判斷振動物體振動表面的振幅。若振動物體的振動表面為周期性振動，檢測裝置根據檢測到的電信號的變化規律可以確定振動物體的振動頻率。
[0043]本發明中，納米發電機的結構有多種，只要在機械力的作用下可以產生電信號的納米裝置都可以作為本實施例中的納米發電機。由于納米發電機的體積小、質量輕，帖附在振動物體表面的納米發電機對振動物體的頻率和振幅產生的影響可以忽略。
[0044]本實施例中，納米發電機110在振動物體SI的振動帶動下發生形變，結構可以為多層結構，參見圖2，包括:柔性基底I ;柔性基底I上的底電極2 ;底電極2上的壓電層3，壓電層3上的介質層4 ;介質層4上的頂電極5。通過底電極和頂電極的電極引出線6與檢測裝置連接。其中，柔性基底可以為柔性聚合物或可彎曲的金屬片/箔；底電極和頂電極可以為金屬、合金等電極；壓電層的材料可以為任何壓電薄膜或壓電納米結構材料，例如:ZnO、Pb (Zr, Ti) 03、BaTi03、GaN等的薄膜、納米線或納米棒等。
[0045]壓電層的材料優選為ZnO、GaN等纖鋅礦結構壓電材料的納米線。介電層的材料可以為聚合物，如PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)、PI (聚亞酰胺)、PET (聚對苯二甲酸乙二醇酯)、PS (聚苯乙烯)等。圖2中右上角插圖為納米發電機的整體形貌。
[0046]以壓電層采用氧化鋅納米線微例，本發明中納米發電機的工作原理為:由于氧化鋅納米線為壓電材料，當納米發電機受到振動物體的振動導致氧化鋅納米線發生形變時，納米線內部會由應變產生一個相應的壓電電場。由于感應電荷的作用，這個壓電電場會使上下電極表面產生電勢差，這個電勢差會進而驅動外電路的電子從一端電極流向另一端電極，從而形成電流，直至電極上累積的電子與壓電電場達到平衡；而當外加應力卸載的時候，由壓電電場形成的電勢差消失，其中一個電極上積累的電子會由相反方向流回，這樣就形成了一個交流的電流信號。在實際應用中，也可以檢測振動物體的振動作用下納米發電機在兩個電極之間的電壓信號。[0047]下面以壓電納米線層采用ZnO為例，具體介紹納米發電機的制備過程。結合圖2，先在厚度約50 μ m的PI (聚酰亞胺)基底1上沉積Cr/Au下電極2，濺射一層50nm厚的ZnO種子層，然后懸浮于六水合硝酸鋅和六四甲基四胺的比例為10:1的溶液中，放入烘箱中在75°C下生長12小時生長ZnO納米線層3，壓電納米線的取向基本垂直與所述基底1。生長完成后旋涂一層厚度約2 μ m的介電層PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)4，再在其上沉積Cr/Au上電極5，上下電極由電極引出線6引出，最后旋涂厚度ΙΟμπι左右的PDMS(Polydimethylsiloxane,聚二甲基娃氧燒)封裝,完成納米發電機的制備。封裝層的材料也可以為厚度10 μ m左右任意防潮的聚合物。
[0048]納米發電機中ZnO納米線層的生長過程不限于上述過程，也可以在濺射完成ZnO種子層后，懸浮于六水合硝酸鋅和六四甲基四胺的比例為1:1的溶液中，放入烘箱中在95°C下生長5小時，獲得ZnO納米線層。
[0049]本實施例中的檢測裝置可以為電壓或電流信號的檢測裝置，例如StanfordResearch System公司生產的SR 560和SR 570的電壓/電流放大器,經過放大器的信號由信號采集裝置傳輸到計算機中，并由軟件進行讀取。還可以在所述檢測裝置中預設電信號與納米發電機中的壓電層材料的形變量之間的對應關系，用于根據納米發電機產生的電信號探測震動物體的振幅。
[0050]將上述制備好的納米發電機的基底粘貼于鼓面上，敲擊鼓面時檢測裝置探測到納米發電機底電極和頂電極之間產生的電信號，傅里葉變換后得到頻率譜，如圖3和圖4所示，其中右側曲線為納米發電機(NG)探測到的振動產生的電信號。為了驗證測量是否正確，利用傳統的激光測振法(Laser)的測量結果也在圖3中給出。從圖3可以看出，無論是納米發電機探測到的電信號還是激光干涉法測到的鼓面的位移信號，兩者具有相同的變化趨勢。獲得的鼓面的振動頻率也在誤差范圍內，這充分證明利用納米發電機作為頻率探測器是精準的和可行的。只要納米發電機感受到鼓面的形變，并且形變使其在兩電極間產生相應的壓電勢差，那么納米發電機就可以產生與之相對應的電信號，從而探測引起形變的頻率和形變量，如果為振動，則可探測到振動的頻率和振幅。
[0051]納米發電機中ZnO納米線層的生長過程不限于上述過程，也可以在濺射完成ZnO種子層后，懸浮于六水合硝酸鋅和六四甲基四胺的比例為1:1的溶液中，放入烘箱中在95°C下生長5小時，獲得ZnO納米線層。制備的納米發電機進行鼓面振動測量頻率結果參見圖5。
[0052]在本實施例中，也可以將納米發電機的頂電極貼附在震動物體的表面上，隨著震動物體的震動，使納米發電機中的壓電層產生形變，并且形變使其在兩電極間產生電信號，通過檢測裝置檢測所述電信號來探測震動的頻率或幅度。
[0053]本實施例利用納米發電機的振動探測器無需外部供電和自感應，而且作為探測器更具有價格低廉、結構簡單方便的優點。
[0054]實施例二:
[0055]參見圖6，本實施例的振動探測器，包括納米發電機210和檢測裝置220，其中，納米發電機210與振動物體S2的振動表面之間包括介質200，納米發電機210用于在振動物體S2的振動作用下隨著所述振動產生形變，并在所述納米發電機的兩電極之間產生電信號；檢測裝置220，用于檢測納米發電機210產生的電信號，并根據所述電信號獲得所述振動物體S2表面的振動頻率或振幅。
[0056]當振動物體S2產生振動時，振動能量通過介質200將振動傳遞至納米發電機210，使納米發電機210隨著所述振動發生形變，在納米發電機的兩電極之間產生電信號，檢測裝置根據該電信號即可判斷振動物體的振幅。若振動物體的振動表面為周期性振動，檢測裝置根據檢測到的電信號的變化規律可以確定振動物體的振動頻率。
[0057]本實施例中，介質200可以為氣體、液體或彈性固體材料等可以傳遞振動能量的材料。本實施例的振動探測器可以應用在液體、氣體或生物體等環境中。特別是可以應用在生物體中，例如生物體中的脈搏振動、心臟跳動等振動的探測，可以應用在健康的實時監測或者遠程治療方面。
[0058]本實施例中，納米發電機的結構有多種，可以采用與實施例一中相同的結構，在這里不再重復。檢測裝置可以為電壓或電流信號的檢測裝置，例如Stanford ResearchSystem公司生產的SR 560和SR 570的電壓/電流放大器，經過放大器的信號由信號采集裝置傳輸到計算機中，并由軟件進行讀取。
[0059]實施例三:
[0060]本實施例中提供一種振動探測方法，具體流程參見圖7，包括:
[0061]步驟S10，振動物體產生振動；
[0062]步驟S11，所述振動使納米發電機發生形變，并在所述納米發電機的兩電極之間產生電信號；
[0063]步驟S12，檢測所述納米發電機隨所述振動產生的電信號，并根據所述電信號獲得所述振動物體的振動頻率或振幅。
[0064]本實施例的振動探測方法中，所述納米發電機可以粘貼在所述振動物體的表面上，振動能量直接傳遞至納米發電機，所述振動物體振動時的表面使納米發電機發生形變，在納米發電機的兩電極之間產生電信號，最后通過檢測裝置檢測納米發電機產生的電信號。
[0065]本實施例的振動探測方法中，所述納米發電機與所述振動物體之間包括介質，所述振動物體的振動引起所述介質形變，所述介質形變帶動所述納米發電機產生形變，最后通過檢測裝置檢測納米發電機產生的電信號。
[0066]本實施例的振動探測方法無需為納米發電機提供電源，由振動物體的振動驅動納米發電機產生電信號，通過檢測裝置分析出振動的頻率和幅度。探測器的結構簡單，制備和運行成本低。可以應用在設備振動探測、橋梁振動檢測、健康監測等領域中。本發明的振動探測器也可用于一些危險的和不適于應用外部能源的特殊環境，例如低溫或輻射環境中。
[0067]本發明的所有實施例中，所述的振動物體可以為待探測物體整體在振動，或者是部分振動，例如振動的設備，或者只有表面振動的鼓面等。
[0068]以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發明技術方案保護的范圍內。
【權利要求】
1.一種振動探測器，其特征在于，包括納米發電機和檢測裝置，其中， 所述納米發電機，用于在振動物體的振動作用下隨著所述振動產生形變，并在所述納米發電機的兩電極之間產生電信號； 所述檢測裝置，用于檢測所述納米發電機產生的電信號，并根據所述電信號獲得所述振動物體的振動頻率或振幅。
2.根據權利要求1所述的振動探測器，其特征在于，所述納米發電機包括: 柔性基底； 所述柔性基底上的底電極； 所述底電極上的壓電層； 所述壓電層上的介質層； 所述介質層上的頂電極。
3.根據權利要求2所述的振動探測器，其特征在于，所述納米發電機的基底或頂電極貼附在所述振動物體的振動表面上。
4.根據權利要求2所述的振動探測器，其特征在于，包括納米發電機與所述振動物體之間包括介質，所述振動物體的振動能量通過所述介質傳遞至所述納米發電機使所述納米發電機產生形變。
5.根據權利要求4所述的振動探測器，其特征在于，所述介質為氣體、液體或彈性固體材料。
6.根據權利要求2-4任一項所述的振動探測器，其特征在于，所述柔性基底為柔性聚合物或可彎曲的金屬片/箔。
7.根據權利要求2-4任一項所述的振動探測器，其特征在于，所述壓電層的材料為ZnO, Pb (Zr, Ti) O3> BaTiO3 或 GaN。
8.根據權利要求1-5任一項所述的振動探測器，其特征在于，所述檢測裝置為電壓或電流信號的檢測裝置。
9.一種振動探測方法，其特征在于，包括: 振動物體產生振動； 所述振動使納米發電機發生形變，并在所述納米發電機的兩電極之間產生電信號；檢測所述納米發電機隨所述振動產生的電信號，并根據所述電信號獲得所述振動物體的振動頻率或振幅。
10.根據權利要求9所述的振動探測方法，其特征在于，所述納米發電機粘貼在所述振動物體上，所述振動使納米發電機發生形變步驟為: 所述振動物體振動時的表面使納米發電機發生形變。
11.根據權利要求9所述的振動探測方法，其特征在于，所述納米發電機與所述振動物體之間包括介質，所述振動使納米發電機發生形變步驟為: 所述振動物體的振動引起所述介質形變； 所述介質形變帶動所述納米發電機產生形變。
【文檔編號】G01H11/06GK103698002SQ201210365840
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2012年9月27日 優先權日:2012年9月27日
【發明者】王中林, 于愛芳 申請人:國家納米科學中心