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原文传递基于摩擦纳米发电机的船舶机械自供能振动传感研究

论文题名：	基于摩擦纳米发电机的船舶机械自供能振动传感研究
关键词：	船舶机械;摩擦纳米发电机;振动传感;机械状态监测
摘要：	在造船业蓬勃发展的背景下，在国家海洋强国、造船强国、交通强国等建设目标的牵引下，船舶正朝着规模化、高速化、智能化方向发展。智能船舶已成为船舶制造和航运业的趋势。随着船舶智能化水平的提高、传感器数量的增多及分布范围的扩展，传统的振动传感器逐渐难以满足需求，特别是无法连续、实时、准确地监测工况。因此，研究适用于船舶环境的自供能、高精度且低成本的振动传感器对于构建船舶机械安全监测自供能传感网络具有重要意义。　　摩擦纳米发电机(TriboelectricNanogenerator,TENG)基于麦克斯韦位移电流原理，结合摩擦起电和静电感应，可高效地将环境中的机械能转化为电能，是一种全新的机械能发电方式。摩擦纳米发电机已经被证实可以进行能量收集和自供能传感。由于其重量轻、材料选择多样、结构简单、成本低廉等优势，在蓝色能源、物联网、环境感知、安全监控等方面的应用前景十分可观。　　本文基于独立层模式TENG原理，提出一种用于船舶振动能采集和船舶机械振动状态监测的弹性钢片摩擦纳米发电机(Elastic-SteelTriboelectricNanogenerator,ES-TENG)。通过研究弹性钢片摩擦纳米发电机的工作原理，建立其V-Q-x关系方程，系统研究此装置输出性能的影响因素并进行优化，最后进行实际应用初探。　　本文的主要研究内容与结论如下: 　　首先，本文对ES-TENG进行了理论分析，分析了其电荷产生机理和电荷转移机理。并利用COMSOL软件对ES-TENG进行静电学仿真，研究分析钢片位于不同位置时的电势分布情况，验证了ES-TENG的可行性。　　其次，本文探究了ES-TENG输出性能的关键因素，如材料类型、钢片结构、振动频率、振动方向和加速度等。实验结果表明，使用FEP膜与铝电极组合时输出性能最佳。镂空结构能有效减小钢片刚度K和截面转动惯量I,在相同的外部振动条件下增大挠度位移x,从而大大提高输出性能。装置输出性能与安装角度无关，可用于检测任何方向的振动。在振动频率保持固定的情况下，随着加速度的逐渐增大,输出信号强度逐渐增大，直至达到最大值。在低频条件下，ES-TENG还具备检测振幅的能力。　　最后，本文通过ES-TENG给电容器充电能够驱动一个温湿度传感器的实验证明其具备将机械振动能转化为电能的能力。当ES-TENG作为振动传感器时,可以检测2-10,000Hz范围内的振动，结合时频变换和滤波手段，测量频率与外部振动频率值之间的平均相对误差很小(约0.42％)。ES-TENG监测空气压缩机的启动、运行和停止状态。电信号频率与空气压缩机的实际振动频率非常符合。此外，通过耐久性测试证明装置具有良好的稳定性和耐久性。这些都证明本文设计的弹性钢片摩擦纳米发电机不仅能够收集振动能量，而且还能作为振动频率传感器，用于监测船舶机械设备的工作状态从而预防事故发生。
作者：	黄喜利
专业：	海洋技术
导师：	潘新祥
授予学位：	硕士
授予学位单位：	广东海洋大学
学位年度：	2023