【摘 要】
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随着大数据、物联网及人工智能技术在船舶上的应用,智能船舶成为当下研究的热点。智能船舶需要安装数以万计的传感器,而传统传感器大多采用外部电源供电,这无疑需要在船舶上穿孔引线并安装大量电源。然而由于智能船舶系统的无人化,使得如此大量传感器的供电及后续电源更换、检修的问题变得异常棘手,亟须一种自供能振动监测传感器来适应智能船舶的发展需求。据此,本文基于摩擦纳米发电的原理,利用摩擦纳米发电机具有自供能的特
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随着大数据、物联网及人工智能技术在船舶上的应用,智能船舶成为当下研究的热点。智能船舶需要安装数以万计的传感器,而传统传感器大多采用外部电源供电,这无疑需要在船舶上穿孔引线并安装大量电源。然而由于智能船舶系统的无人化,使得如此大量传感器的供电及后续电源更换、检修的问题变得异常棘手,亟须一种自供能振动监测传感器来适应智能船舶的发展需求。据此,本文基于摩擦纳米发电的原理,利用摩擦纳米发电机具有自供能的特点,设计了一种可用于振动传感的管式滑动摩擦纳米发电机（Tube Sliding Triboelectric nanogenerator,简称TS-TENG）,研究了振动与摩擦纳米发电之间的关系,实现了基于摩擦纳米发电技术的振动信号采集。本文的主要研究内容和结论如下:（1）基于麦克斯韦位移电流进行了摩擦纳米发电机的机理分析,并依据滑动式摩擦纳米发电的发电机理,建立了可以表征发电信号和振动信号之间关系的V-Q-x方程,为滑动式摩擦纳米发电机可应用于振动传感提供理论基础;分析了现有的滑动式摩擦纳米发电机结构,为完成可用于振动传感的滑动摩擦纳米发电机的结构设计奠定基础。（2）设计并搭建JKZ-10振动测试试验台,依据表征电信号与振动信号的V-Q-x方程设计了TS-TENG样机;通过提高TS-TENG发电性能来更好的实现振动传感器自供能的特点,研究了电极材料、间隙、表面功能化对TS-TENG发电性能的影响,并基于试验结论进行了结构改良。结果表明:电负性偏负的材料对其发电性能影响远高于电负性偏正的材料;TS-TENG输出的电压随着电极间隙和表面粗糙度Sa的提高呈现先增后减的趋势;TS-TENG经改良后,在25Hz激振工况下,输出电压最大增幅为83.3%。（3）依据表征电信号与振动信号的V-Q-x方程,设计并制作一种可用于振动传感的管式滑动摩擦纳米发电机,并在所建立的JKZ-10激振试验台上进行了振动信号的采集测试。结果表明:可用于振动传感的TS-TENG其输出的电信号频率与外界振动频率的误差低于1%,电压信号随着振动加速度的提高而提高,其斜率比最大值为1.52 V/mm。
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