基于单电极摩擦纳米发电机的无人机平面加速度传感器

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随着5G时代的到来,对微小集成化、无线移动化、功能智能化传感器的需求迫在眉睫,在此背景下,各种分布式传感器面临着巨大的挑战。在现实生活中,传感器在很多领域都扮演着至关重要的角色。其中在无人机领域,作为无人机控制系统信息获取的主要组成部分,传感器决定着无人机测控系统获取信息的精确性,影响着无人机的飞行性能。因此,随着时代的发展和技术的不断进步,对无人机传感器的要求越来越高。无人机加速度计是一种通过检测重力在三个轴上的分量来测量无人机加速度的传感器,对无人机飞控系统起着不可忽视的作用。它的作用除了可以测量运动加速度,同时还可以用来矫正陀螺仪的误差,更好的实现对无人机的控制。虽然无人机加速度计的功耗很小,但从长远来看,绿色环保可持续能源必然会成为电子产品的发展趋势。因此,将自供电技术引入无人机加速度计也将成为必然。本文提出了 一种基于不对称电极弧形摩擦纳米发电机(Asymmetric electrode arc-groove triboelectric nanogenerator,简称 ASA-TENG),将其安装在无人机上作为自供电加速度传感器,用于检测巡航状态下无人机的平面加速度。该结构具有结构简单,质量小,灵敏度高,检测范围大,成本低且绿色环保的特点。经过理论与实验验证,最终该结构选择尼龙实心球作为ASA-TENG的运动部件,其具有优良的运动特性,能够准确将机械运动信号转化为电信号从而实现自供电。其它影响结构输出性能的因素也通过电位仿真以及实验验证,选择了相对最优参数。为了实现平面方向检测,将两个ASA-TENG结构堆叠成十字形分别作为x轴和y轴,每个结构分别用来检测实际加速度在两轴上的分量,最终通过加速度合成原理得到实际加速度,能够精确检测加速度方向。ASA-TENG产生的电压信号用于研究与加速度的关系。ASA-TENG加速度传感器能够检测0.1 m/s2至40 m/s2的加速度,具有较高的灵敏度,并且其响应时间(电压信号第一次波峰与波谷的时间差)与加速度有良好的拟合关系。此外,ASA-TENG结构在不同加速度下产生的电压信号幅值在连续运行2000个循环后显示出微不足道的波动,具有出色的耐久性。因此,将来ASA-TENG加速度传感器会由于其优势在无人机巡航工况中得到应用。
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