近日,实验室在国际期刊IEEE Sensors JournalJCR Q1,影响因子4.3上以发表以A Durable and Self-Powered Triboelectric Sensor for Hydraulic Pressure Monitoring and Underwater Disturbance Detection” 为题的研究性论文。曲老师和大连海事大学徐敏义老师为论文的通讯作者,23级硕士王伟琛为论文的第一作者。

本工作研发了一种用于水压监测水下扰动检测耐用自供能摩擦电传感器,传感器具有成本低、自供电、环保、对环境扰动灵敏度高(0.954V/N)、机械可靠性和电输出稳定性好等优点。

该项目得到了国家自然科学基金、深圳市“鹏城孔雀计划”、北京市“青年人才托举工程”、深圳市高等院校稳定资助面上项目、清华大学深圳国际研究生院交叉科研创新基金/科研启动基金/海外科研合作基金、江淮前沿技术协同创新中心追梦基金、教育部产学合作协同育人项目和深圳市海洋生态前沿技术重点实验室等项目的资助。


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论文信息:

A Durable and Self-Powered Triboelectric Sensor for Hydraulic Pressure Monitoring and Underwater Disturbance Detection 

Weichen Wang, Cong Zhao, Zhaoyang Wang, Baijin Mao, Haoyu Wang, Yiping Zhang, Ziyue Xi, Cheng Xiang, Minyi Xu*, and Juntian Qu*

IEEE Sensors Journal


https://ieeexplore.ieee.org/document/10522618


01

研究背景

水深是海洋环境中最基本和重要的物理量之一,水压传感器在水下环境监测中发挥着重要作用。水下环境因光照不足、地形和生态复杂,对水下航行器的环境感知造成了巨大挑战。常用的水下环境感测技术主要依赖于声纳和视觉识别系统。声纳技术虽然感测范围广,但复杂地形和水下噪声会降低其效果;视觉识别技术虽分辨率高,但在浑浊和昏暗的水下环境中难以获取准确信息。此外,水下机器人感知设备的高能耗、维护和更换成本限制了有效感知的实现。因此,迫切需要开发一种新型的低成本、低能耗、结构简单的水下环境感知传感器。基于摩擦起电和静电感应的摩擦纳米发电机(TENG)在微纳能量收集和自驱动感知领域得到广泛应用,具有材料选择广、结构简单、重量轻、易于制造和成本低等优点。在海洋环境感知领域,新兴的摩擦纳米发电技术正发挥越来越重要的作用,如水下扰动检测、水下通信、波浪信息感知、水位和水下触觉感知等。因此,开发高性能的TENG传感器可以为水下感知提供新的解决方案。

02

文章概述

当外部水压发生变化时,滑块沿着圆筒内壁滑动,氟化乙烯丙烯(FEP)薄膜与铝电极之间的接触面积发生变化,从而产生电信号。实验测量了 HP-TENG 的机电输出性能,通过水下实验验证了 HP-TENG 测量水压的能力,并证明了其感知压力大小和压力变化速度的能力,其线性相关系数大于 0.995。此外,还深入探讨了其在实时控制和水下扰动检测方面的应用,以证明其实用性。该传感器具有制作成本低、自供电、环保、对环境干扰灵敏度高(0.954V/N)、机械可靠性和电输出稳定性好等优点。实验结果表明,所提出的传感器在水下环境监测方面具有广阔的发展前景。

03

图文导读

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图1 |HP-TENG 的结构和工作原理(a) HP-TENG在水下机器人环境监测的应用。(b) HP-TENG 的结构示意图。(c) FEP 薄膜表面的扫描电镜图像。(d) HP-TENG 的工作原理。(e) 不同压力下HP-TENG的内部状态。(f) 不同压力下 HP-TENG 的电势分布COMSOL仿真。


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图2 |不同负载参数下的 HP-TENG 输出性能(a) 实验装置示意图。(b) HP-TENG 在不同位移下的开路电压。(c) 不同弹簧直径的 HP-TENG 在不同位移下的压力。(d) 不同高度的FEP滑块下HP-TENG 的输出电压信号。(e) 不同底部直径的 FEP 滑块下 HP-TENG 的输出电压信号。(f) 介电材料(PET、Kapton、PVC、PTFE、FEP 和 T-FEP)对 HP-TENG 输出电压的影响。(g) 外部负载频率对开路电压的影响。(h) 外部负载位移对开路电压的影响。(i) 开路电压与负载位移和负载频率之间的关系。


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图3 |HP-TENG的水下感知性能(a) 用于模拟不同水下压力的实验装置示意图。(b) 在不同水下外部负载位移的输出开路电压。(c) 开路电压与水下外部负载位移之间的关系。(d)水下外部负载频率对短路电流的影响。(e) 短路电流与频率之间的拟合线性关系。(f) 水下压力缓慢变化时的输出电压信号。(g) HP-TENG 在不同盐度水环境中的峰值输出电压。(h) HP-TENG 在不同温度水环境中的峰值输出电压。(i) HP-TENG 水下耐久性试验图。


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图4 |HP-TENG 在实时控制中的应用(a) 实验电子装置示意图。(b) 用于控制发光二极管的电子模块。(c) HP-TENG 作为负载开关控制的演示及其相应的输出电压信号。


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图5 |HP-TENG 在水下扰动探测中的应用(a) 实验中使用的设备和系统。(b) 用于水下扰动探测的 HP-TENG 输出信号。



03

总结

本研究提出并开发了一种基于摩擦纳米发电机的新型水压传感器 HP-TENG,可作为水下机器人感知系统的补充。该传感器具有制作成本低、自供电、环保、对环境干扰灵敏度高、机械可靠性和电输出稳定性好等优点。其对压迫位移和频率的感知能力良好,线性相关系数大于 0.995。HP-TENG 对水下压力的灵敏度高达 0.954V/N。此外,HP-TENG 还能检测水下扰动的大小和距离,并可安装在水下机器人上感知危险或生物的接近。HP-TENG流线型的结构可用作压力和深度测量模块,提供压力测量结果和垂直空间坐标。



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IEEE 

Sensors 

Journal

期刊介绍

IEEE Sensors Journal于2001年创刊,是传感器工程和技术领域的权威期刊,征稿涉及信号处理与分析、通信、网络与广播技术、元件、电路、器件与系统以及机器人与控制系统等和传感器技术密切相关的主题。最新的影响因子为4.3,JCR分区Q1。


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