【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬基復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郭益平教授課題組在基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的水聽器研究中取得重要進(jìn)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(fā)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(fā)電機(jī)(TENG)作為一項(xiàng)新興技術(shù)，在傳感領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大潛力。水下甚低頻(Very Low Frequency, VLF，低于100 Hz)聲波信號(hào)，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(yù)報(bào)等領(lǐng)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(fā)了一種創(chuàng)新的非接觸式摩擦電傳感器，其獨(dú)特的螺旋浮動(dòng)電極結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)與集成結(jié)構(gòu)顯著提升了其耐用性，經(jīng)過30萬次循環(huán)測試性能依然保持穩(wěn)定。該傳感器還展現(xiàn)出優(yōu)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(jìn)一步制備為水聽器，專注于甚低頻的水下聲波監(jiān)測。根據(jù)實(shí)際的水下測試結(jié)果，在10至100Hz頻率范圍內(nèi)，其靈敏度顯著優(yōu)于商用8105水聽器，在65Hz時(shí)，靈敏度提升了31.7dB，并展現(xiàn)出優(yōu)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(xiàn)了在水下聲學(xué)監(jiān)測等領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景，進(jìn)一步拓展了摩擦納米發(fā)電機(jī)在實(shí)際場景中的應(yīng)用。
 

結(jié)構(gòu)示意圖
 

　　(a) 水文測量與地質(zhì)資源勘探示意圖。(b) SFE-TEVS 結(jié)構(gòu)的3D爆炸視圖。(c) 其剖面圖。(d) 浮動(dòng)電極的振動(dòng)狀態(tài)示意圖。(e) SFE-TEVS 的實(shí)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(qiáng)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(nèi)，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(yīng)曲線。(e) 與文獻(xiàn)[10,26–32]中的摩擦電振動(dòng)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(huán)中的穩(wěn)定性。
 

應(yīng)用演示圖
 

　　(a) 采用有源地震技術(shù)探測地下資源和繪制地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)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(hào)。(c) 監(jiān)測空氣壓縮機(jī)振動(dòng)的照片。(d) 機(jī)器啟停狀態(tài)下生成的信號(hào)。(e) 采用PU密封的SFE-TEVS與標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2023級(jí)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(xué)“深藍(lán)計(jì)劃”重點(diǎn)項(xiàng)目(SL2022ZD103)的支持。