基于摩擦纳米发电机负载匹配效应的自驱动传感机制及其应用研究

来源 :苏州大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:solarshu
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
智能传感网络的发展迫切需要大量独立工作的便携式自驱动传感器。摩擦纳米发电机(TENG)是一种将机械信号转化为电信号的新型能量转换器件,为构建自驱动传感器提供了新思路。基于TENG与传统传感器之间的阻抗匹配,实现了各种类型的自驱动传感,这种方案不仅提供可靠且稳定的传感信号,并且可以充分扩展传统传感器的应用场景。传感器作为负载和TENG串联,只有阻抗匹配时,传感器的电阻变化才能导致TENG负载输出的明显变化,实现自驱动传感,因此TENG和传感器之间的阻抗匹配是关键因素。然而,在实际的传感应用中,传感器和TENG之间经常存在阻抗不匹配的情况,且对TENG阻抗匹配的理论研究较少,需要进一步研究TENG阻抗匹配理论来调节TENG阻抗使其与传感器相匹配。因此,本论文基于目前TENG负载阻抗匹配自驱动传感的研究现状,从TENG的基本物理模型出发,通过理论计算分析不同器件参数对TENG内部阻抗以及阻抗匹配区间的影响规律,研究引入分压电阻后对负载输出的影响,最后在此基础上优化TENG与传感器之间的匹配及传感电路并构建自驱动传感系统。基于以上研究要点,具体结果如下:(1)以接触分离和独立层式TENG为主要研究对象,通过理论计算研究了多个器件参数对其内部阻抗及负载匹配区间的影响,并研究引入分压电阻后对负载输出的影响。对于接触分离式TENG,理论计算拟合了不同工作频率、介电层的介电常数、介电层厚度以及两极板间空气间隙等多参数下的负载输出曲线,研究其对负载匹配区间的影响规律。其中,空气间隙的减小会导致内部阻抗的减小,使阻抗匹配区间明显向小电阻方向移动,因此,可以通过调控空气间隙d0来调节TENG内部阻抗使其与传感器电阻变化范围相匹配。对于转盘式TENG,理论计算拟合了不同工作转速γ,以及不同扇形电极圆心角α0下的负载输出曲线,研究其对负载匹配区间的影响规律。其中,扇形叉指电极圆心角度的减小明显使负载匹配区间向小电阻方向移动,可以改变扇形电极圆心角使TENG内部阻抗与传感器电阻变化范围相匹配。最后研究了引入分压电阻后输出电压的变化公式,为选择合适的分压电阻调节传感输出电压提供理论基础。(2)通过匹配柔性薄膜TENG(TFF-TENG)和ZnO纳米颗粒(NPs)紫外传感器,构建了柔性透明便携的自驱动紫外光电探测器。将柔性ZnO-NPs紫外探测器,TFF-TENG,商用贴片电阻和贴片LED集成在PET薄膜上,因此整个器件十分便携易穿戴。TFF-TENG可以在手指敲击和滑动运动中获取机械能,两种工作模式可以简化为接触分离单电极式TENG和独立层式TENG。最后通过计算引入10 MΩ的定值电阻调节传感信号,测得紫外线功率强度从0.46 mW/cm2增大至21.8 mW/cm2时,定值电阻两端的电压(VRc)从0.5V增加到19V,且电压变化直接反映在LED被点亮的数量上,实现了实时量化自驱动监测紫外光强度。(3)通过匹配风车型TENG(WL-TENG)和Pd/ZnO氢气传感器,构建了自驱动氢气泄漏监测系统。根据理论参数分析结果,通过改变扇形叉指电极圆心角(60°至3°),调控WL-TENG的负载匹配区间,使其从1 MΩ~1 GΩ变化为10 kΩ~80 MΩ,并且依据氢气传感器在不同氢气浓度下的阻值变化范围(50kΩ~300 kΩ),选择中心角为3°的WL-TENG与传感器匹配来构建自驱动式氢气泄漏检测系统。WL-TENG在汽车行驶过程中收集风能,并转化成电信号为整个系统供电。最后,通过计算在电路中引入150 kΩ定值电阻,测得当氢气浓度从0增加到1000 ppm时,定值电阻两端电压(VRc)从~15 V增加到~60 V,实现了氢气泄漏的实时自驱动监测。
其他文献
隔膜泵在物料输送过程中不可避免的会产生流量脉动,流量脉动不仅会造成电能的浪费,还会对管道的使用寿命产生损害,甚至酿成生产事故。因此,利用控制方式对多个隔膜泵的相位进行协调,使不同隔膜泵流量脉动的峰谷相互抵消从而实现流量脉动的消减,对于提高隔膜泵管路的物料输送效果有着重要的意义。本文针对以上课题,对多隔膜泵相位同步控制系统进行了设计仿真研究与比较,主要的研究内容有下述几个方面。首先,本文简要的介绍了
学位
随着激光扫描技术的不断发展,室外场景中的稠密三维点云数据获取越来越方便。点云语义分割作为自动驾驶的关键技术之一,已经成为导航定位、计算机视觉、模式识别等领域的研究重点。因此,对室外大场景点云进行语义分割具有非常重要的意义。目前深度学习在二维图像领域得到了广泛应用,然而点云的无序性、无结构性为基于深度学习的点云语义分割带来了一定的挑战。基于此,本文深入研究了基于深度学习的室外大场景点云语义分割算法。
学位
在大型钢铁企业里,原燃料的运输量非常大,而这些原燃料主要通过皮带输送机进行运输,这对皮带输送机的运输功能提出更高的要求。为了解决皮带运输机打滑、撕裂、跑偏、堆煤等问题,提高皮带输送机运行的可靠性,同时为了加强皮带运输机的集中控制,减少操作岗位,降低人力成本。本文结合本钢原料厂储一车间皮带无人值守改造项目的实际情况进行研究分析,原系统中原料厂储一车间管理的备煤系统和焦化厂的系统在一个控制系统中,给故
学位
目的本研究通过体内体外实验结合血清代谢组学技术研究贻贝多糖(mussel polysaccharideα-D-Glucan,MP-A)对非酒精性脂肪肝(non-alcoholic fatty liver disease,NAFLD)的改善作用,并进一步探究其作用机制。方法1、高脂饮食诱导载脂蛋白E基因敲除(apolipoprotein E knockout,Apo E-/-)小鼠(C57BL/6J
学位
钻爆法广泛应用于金属矿山开采、隧道掘进等岩石工程,柱状装药爆破因其效率高被普遍使用,研究柱状装药爆破下岩石的动态破裂行为对岩石工程爆破设计具有指导意义。然而由于岩石爆破超动态破裂过程中应变演化和裂纹扩展过程观测难度大,又因炸药自身危险性使用受到严格管控,室内精细实验无法进行,因此,对爆破过程中研究多采用数值模拟方法,物理实验方法较少。本文利用金属丝电爆炸技术来模拟柱状装药爆破,对爆炸载荷作用下水泥
学位
近年来,光驱动胶体马达在基础研究和应用探索方面吸引了越来越多的关注。一方面,光驱动胶体马达可以作为模型体系帮助我们更好地理解微尺度下的一些非平衡态物理现象。另一方面,其在传感,环境治理,生物医药等方面具有潜在的应用前景。然而,目前光驱动胶体马达的驱动机理还有不明确的地方,而且还无法实现在高盐溶液中的有效驱动,这些都限制了其实际应用。因此,本论文重点研究光驱动胶体马达的驱动机理,并在此基础上对其应用
学位
充填采矿法因其具有矿石回收率高、矿石损失贫化小以及能有效地控制采场地压等优点而在国内外金属矿山得到广泛应用。但由于充填料浆的泌水沉降原因引起充填体不能充分接顶,上覆岩层承受的自重荷载不能及时通过充填体向围岩转移,随着采充作业的进行,空区不接顶面积增加,上覆岩层将发生离层、冒落,加剧地表沉陷,严重威胁地下安全生产和地表构筑物的稳定性。通过向料浆中引入发泡剂制备膨胀充填料浆,硬化后形成的膨胀充填体可以
学位
学位
铂(Pt)基贵金属催化剂因其出色的氧还原反应(ORR)催化性能被广泛应用于燃料电池和金属-空气电池等新能源器件中。然而,Pt基催化剂面临成本高、稳定性低和抗毒化能力差等问题,限制了燃料电池和金属-空气电池等新能源器件的大规模应用。因此,开发高效的非贵金属ORR电催化剂,是实现燃料电池和金属-空气电池商业化应用的关键。本文以金属-有机框架(MOF)衍生的过渡金属-氮-碳催化剂为研究对象,采用原位表面
学位
随着可再生能源的持续发展,人们对能源存储设备的需求越来越高。锂离子电池凭借高理论能量密度、高效率和低自放电等优势,在便携式电子设备和新能源汽车等领域占据了主导地位。然而,有限的能量密度和较高的生产成本制约着锂离子电池的进一步应用与发展。为了解决动力汽车和大规模储能的供需矛盾,亟待开发低成本、高安全系数和高能量密度的“后锂离子电池技术”。在这类新型二次电池的研发过程中,电极材料的选择与优化发挥着举足
学位