一种用于行星采样的4D打印自供电振动传感器

一种用于行星采样的4d打印自供电振动传感器
技术领域
1.本发明涉及振动传感器领域，具体涉及一种用于行星采样的4d打印自供电振动传感器。


背景技术：

2.自供电设备是目前研究的热点领域之一，其中摩擦起电与静电感应耦合是一种重要的发电方式，其利用材料表面的摩擦力和压力产生微小的电荷，将这些微小的电荷积累起来，可以产生足够的电能，用于驱动微纳电子设备、传感器等。通过以上方式制备的自供电设备具有体积小、重量轻、响应速度快、能量密度高等特点，是一种十分有前途的新型能源。
3.随着航天航空领域的飞速发展，人类科技进军外太空，使用自供电设备对小行星采样过程进行监测具有十分重要的科学意义。自供电设备不断发展依赖，其结构越来越复杂且精密，传统的制备工艺难以满足定制化、高效率且高精度的需求。此外，在实际应用中，以摩擦起电与静电感应耦合发电（基于摩擦纳米发电机）的自供电设备还需要进行高强度的摩擦或碰撞，磨损问题会导致设备性能出现衰减，影响设备的使用寿命，限制其实用性。形状记忆材料自身的特点结合4d打印的优势将极大程度上解决磨损问题，实现自供电传感器复杂结构的制备以及使用寿命的提升。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提供了一种用于行星采样的4d打印自供电振动传感器，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.术语解释：pu：聚氨酯、agnws：银纳米线。
6.本发明的技术方案为：一种用于行星采样的4d打印自供电振动传感器，包括传感模块和采样模块两个部分，传感模块包括传感器外壳、上封闭板、下封闭板、中心轴、弹簧、螺旋配重块、pu薄膜、agnws第一电极和第二电极，中心轴轴端两侧分别固定在上封闭板的下侧面中心和下封闭板的上侧面中心，传感器外壳固定在在上封闭板和下封闭板之间，弹簧底部与下封闭板之间弹性连接，并通过套在中心轴上限制其径向移动，螺旋配重块固定于弹簧内侧，与弹簧一起上下振动，螺旋配重块下表面从上至下依次覆盖了第二电极和pu薄膜，螺旋基底上表面覆盖了agnws第一电极。采样部分包括振动传导平台、固定螺栓和空心螺杆，振动传导平台与传感模块的下封闭板通过固定螺栓刚性连接，空心螺杆固定于振动传导平台圆心位置。
7.进一步的，所述螺旋配重块可以通过更改弹簧的弹性模量和材料刚度改变轴向振动幅度，螺旋配重块起到放大振动幅度和延续振动持续时间的作用；进一步的，所述弹簧外侧距离传感器外壳的内壁的距离大于弹簧内侧距离中心轴外侧的距离，螺旋配重块不会碰到传感器外壳的内壁从而阻碍振动；进一步的，所述螺旋配重块具有多层摩擦结构，摩擦层数可以自行设定，多层摩擦
结构可提高发电效率和传感精度；进一步的，在本发明的用于行星采样的4d打印自供电振动传感器中，螺旋配重块层数可自行设定；进一步的，所述agnws第一电极通过旋涂agnws制备，增加了接触面积，增强了电信号的输出；进一步的，所述pu薄膜通过4d打印一体化成型，表面具有微观形貌，其微观形貌发生磨损后受热恢复，可提高其使用寿命；pu是一种形状记忆材料，磨损后受热恢复，可提高寿命；进一步的，所述弹簧固定在螺旋配重块外侧；进一步的，所述空心螺杆下端加工成锥形，便于小行星采样；进一步的，所述空心螺杆上端开有矩形槽。
8.本发明的有益效果如下：本发明公开了一种用于行星采样的4d打印自供电振动传感器，用于监测行星采样过程中产生的振动信号以识别振动频率和振动幅度，自供电功能实现行星采样过程中传感器的轻量化，振动发生后，弹簧带动螺旋配重块上固定的pu薄膜和agnws上下振动并交替接触摩擦产生电荷，足够大的接触面积提高传感精度和发电效率，pu是一种形状记忆材料，在高强度、高频次的振动作用磨损后，将pu薄膜置于60℃环境下进行热处理后，在固定相的作用下，即可使整体结构和表面形貌得到恢复。与传统自供电振动传感器相比，本发明所述的4d打印自供电振动传感器因其结构和摩擦介质的优异性能，可实现高效率、高精度、高寿命振动监测，小行星采样装置由振动传导平台、固定螺栓和空心螺杆组成，将上述4d打印自供电振动传感器搭载在行星采样装置上，即可进行行星采样过程中的振动监测，本发明实现了外太空小行星采样过程中的自供电、轻量化、高效率、高精度、高寿命振动监测。
附图说明
9.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：图1为根据本发明实施例的传感模块的俯视图；图2为根据本发明实施例的传感模块的主视图；图3为沿着图2中aa剖开后的主视图；图4为根据本发明实施例的传感模块和采样模块的俯视图；图5为根据本发明实施例的传感模块和采样模块的主视图；图6为沿着图5中bb剖开后的主视图；图7为根据本发明实施例的传感模块和采样模块的立体图。
10.其中：1上封闭板、2传感器外壳、3弹簧、4第二电极、5下封闭板、6中心轴、7agnws第一电极、8pu薄膜、9螺旋配重块、10固定螺栓、11振动传导平台、12空心螺杆。
具体实施方式
11.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
12.参考图1至图7，本实施例一种用于行星采样的4d打印自供电振动传感器，包括传
感模块和采样模块两个部分，传感模块包括传感器外壳2、上封闭板1、下封闭板5、中心轴6、弹簧3、螺旋配重块9、pu薄膜8、agnws第一电极7和第二电极4，传感器外壳2固定在在上封闭板1和下封闭板5之间，螺旋配重块9固定于弹簧3内侧，中心轴6轴端两侧分别固定在上封闭板1的下侧面中心和下封闭板5的上侧面中心位置，弹簧3底部与下封闭板5之间弹性连接，螺旋配重块9固定于弹簧3内部，使得螺旋配重块9和弹簧3能够相对于传感器外壳2进行上下振动，螺旋配重块9和弹簧3的组合放大了振动时产生的惯性力，微小的振动可以得到较大的振动幅度，中心轴6与传感器外壳2、弹簧3、螺旋配重块9同心，并固定在上封闭板1和下封闭板5之间，中心轴限制了弹簧3、螺旋配重块9等部分的径向移动，螺旋配重块9下表面从上至下依次覆盖了第二电极4和pu薄膜8，螺旋配重块9上表面覆盖了agnws第一电极7。
13.传感器外壳2为圆筒状透明板，其顶面与底面均开口，上封闭板1下侧面与下封闭板5上侧面均开有圆形凹槽，使传感器外壳2固定在圆形凹槽中，其余部分封装于传感器外壳2、上封闭板1、下封闭板5的封闭空间中，杜绝了外界因素干扰传感信号的可能。
14.agnws第一电极7和第二电极4采用不同的方法制备，agnws第一电极7通过在金属电极（如铜电极、铝电极等）旋涂agnws制成，通过改变旋涂速度、旋涂次数和agnws溶液的浓度可决定金属电极表面agnws层的厚度，而agnws粒径的大小决定了agnws层的粗糙度，而第二电极4是使用磁控溅射的方法向螺旋配重块9的上表面镀一层薄薄的银电极，agnws第一电极7和第二电极4上均用铜导线引出并连接电信号接收装置。
15.pu薄膜8通过4d打印方式一体化成型，无需脱模等繁琐制备过程，可直接打印出微观结构，增加接触面积，从而增强电信号输出。
16.参考图4至图6，应用于行星采样时，采样部分包括振动传导平台11、固定螺栓10和空心螺杆12，下封闭板5与振动传导平台11通过固定螺栓10固定在一起，空心螺杆12通过焊接方式紧密连接到振动传导平台11的圆心位置，空心螺杆12外部加工有螺纹结构，内部开有通孔，上部开对称矩形槽，底部加工锥形结构。
17.进行采样时，采样部分在外部电机带动下旋转向下运动，采样样本沿空心螺杆12中心通孔向上运动，并在顶端矩形槽处流出，当传感器水平放置时（图5），采样模块沿纵向发生振动，振动传导平台11将振动传导至传感部分，弹簧3与螺旋配重块9相对于传感器外壳2一同纵向振动，初始状态下螺旋配种块9上布置的pu薄膜8与agnws第一电极7之间带有间隙，产生振动时，弹簧3和螺旋配重块9先是整体向下发生收缩弹性变形，pu薄膜8与agnws第一电极7发生接触并摩擦产生电荷，而后弹簧3和螺旋配重块9整体向上回弹，pu薄膜8与agnws第一电极7分离后在agnws第一电极与第二电极之间产生感应电动势，无需额外供电设备即可产生电流，循环往复的纵向振动过程产生交流电信号。
18.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

技术特征：
1.一种用于行星采样的4d打印自供电振动传感器，其特征在于，包括传感模块和采样模块两个部分，传感模块包括传感器外壳（2）、上封闭板（1）、下封闭板（5）、中心轴（6）、弹簧（3）、螺旋配重块（9）、pu薄膜（8）、agnws第一电极（7）和第二电极（4），中心轴（6）轴端两侧分别固定在上封闭板（1）的下侧面中心和下封闭板（5）的上侧面中心，传感器外壳（2）固定在在上封闭板（1）和下封闭板（5）之间，弹簧（3）底部与下封闭板（5）之间弹性连接，并通过套在中心轴（6）上限制其径向移动，螺旋配重块（9）固定于弹簧（3）内侧，与弹簧（3）一起上下振动，螺旋基底下表面从上至下依次覆盖了第二电极（4）和pu薄膜（8），螺旋配重块（9）上表面覆盖了agnws第一电极（7），采样模块包括振动传导平台（11）、固定螺栓（10）和空心螺杆（12），振动传导平台（11）与传感模块的下封闭板（5）通过固定螺栓（10）刚性连接，空心螺杆（12）固定于振动传导平台（11）的圆心位置。2.根据权利要求1所述的一种用于行星采样的4d打印自供电振动传感器，其特征在于，所述螺旋配重块（9）可以通过更改弹簧的弹性模量和材料刚度改变轴向振动幅度。3.根据权利要求1所述的一种用于行星采样的4d打印自供电振动传感器，其特征在于，所述弹簧（3）外侧距离传感器外壳（2）的内壁的距离大于弹簧（3）内侧距离中心轴（6）外侧的距离，螺旋配重块（9）不会碰到传感器外壳（2）的内壁从而阻碍振动。4.根据权利要求1所述的一种用于行星采样的4d打印自供电振动传感器，其特征在于，所述螺旋配重块（9）具有多层摩擦结构，摩擦层数可以自行设定。5.根据权利要求1所述的一种用于行星采样的4d打印自供电振动传感器，其特征在于，所述螺旋配重块（9）层数可自行设定。6.根据权利要求1所述的一种用于行星采样的4d打印自供电振动传感器，其特征在于，所述agnws第一电极（7）是通过向金属电极旋涂agnws制备而成。7.根据权利要求1所述的一种用于行星采样的4d打印自供电振动传感器，其特征在于，所述pu薄膜（8）通过4d打印一体化成型，表面具有微观形貌，其微观形貌发生磨损后受热恢复。8.根据权利要求1所述的一种用于行星采样的4d打印自供电振动传感器，其特征在于，所述弹簧（3）固定在螺旋配重块（9）外侧。9.根据权利要求1所述的一种用于行星采样的4d打印自供电振动传感器，其特征在于，所述空心螺杆（12）下端加工成锥形。10.根据权利要求1所述的一种用于行星采样的4d打印自供电振动传感器，其特征在于，所述空心螺杆（12）上端开有矩形槽。

技术总结
本发明公开了一种用于行星采样的4D打印自供电振动传感器，涉及振动传感器领域，用于解决传感器在外太空小行星采样时的供电和磨损问题，并监测行星采样过程中产生的振动信号以识别振动频率和振动幅度，包括透明外壳、上封闭板、下封闭板、中心轴、弹簧、螺旋配重块、PU薄膜、AgNWs第一电极和第二电极，振动发生后，弹簧带动螺旋配重块使得PU薄膜与AgNWs第一电极交替接触从而产生电信号，在高强度、高频次振动作用下，摩擦接触表面极易受到磨损导致微结构形貌坍塌，影响使用寿命和信号强度，本发明中PU薄膜为形状记忆材料，发生上述情况时，将PU薄膜置于60℃环境下进行热处理后，在固定相的作用下，PU薄膜的整体结构和表面形貌都将得到恢复。得到恢复。得到恢复。


技术研发人员：刘春宝 刘亦斌 杨孔华 陈世良
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/8/14