振動(dòng)是現(xiàn)實(shí)生活中普遍存在的現(xiàn)象，它可以提供有關(guān)其來源的許多信息。振動(dòng)傳感器將振動(dòng)信號轉(zhuǎn)化為電信號，廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境、機(jī)械裝備、大型建筑、交通運(yùn)載等領(lǐng)域的健康狀態(tài)監(jiān)測。然而，隨著物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)傳感器由于維護(hù)困難、成本高、額外的能量供應(yīng)以及壽命有限等問題，難以滿足數(shù)萬億的傳感器網(wǎng)絡(luò)需求。因此，非常希望開發(fā)一種不需要維護(hù)或額外能源供應(yīng)的低成本、自供電的振動(dòng)傳感器。

摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）已被證明是一種結(jié)構(gòu)簡單、低成本和輕量級的振動(dòng)檢測方法。此外，大多數(shù)基于TENG的環(huán)境振動(dòng)傳感器僅限于低頻范圍(低于幾百赫茲)。在低頻波段，這些傳感器比基于電磁感應(yīng)、電容式和光纖等其他原理的振動(dòng)傳感器表現(xiàn)出更高的靈敏度。

為了拓寬基于TENG的振動(dòng)傳感器的測量振動(dòng)頻率范圍，研究人員一直致力于設(shè)計(jì)多自由度、球型、共振結(jié)構(gòu)和柔性薄膜。已有報(bào)道的摩擦振動(dòng)傳感器頻率響應(yīng)范圍達(dá)到了2 kHz，但其靈敏度(在超過幾千赫茲的振動(dòng)頻率下~ 0.01 V/g)仍然需要提高。

無論是哪種結(jié)構(gòu)，要獲得更寬的帶寬需要更小的驅(qū)動(dòng)阻力，要獲得更大的靈敏度需要足夠的質(zhì)量來獲得能量。因此，小的驅(qū)動(dòng)阻力和足夠的質(zhì)量之間的平衡仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，這是設(shè)計(jì)一個(gè)能夠測量更寬頻率范圍和更高靈敏度的自供電傳感器以擴(kuò)展其應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

研究者提出了一種基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的超寬帶高靈敏度振動(dòng)傳感器(HSVS-TENG)。引入了準(zhǔn)零剛度結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化磁鐵強(qiáng)度和移動(dòng)部分的重量來小化接觸分離TENG所需的驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)間隙為零時(shí)，磁鐵的斥力等于自重。此時(shí)，系統(tǒng)的初始等效剛度接近于零。

結(jié)果表明，HSVS-TENG能夠在低至0.1 g的加速度下測量頻率為2.5 ~ 4000 Hz的振動(dòng)，且輸出信號在不同加速度下呈現(xiàn)良好的線性。完成了利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法檢測電機(jī)、減速器、軸承、壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等關(guān)鍵部件運(yùn)行狀態(tài)及故障類型的探索性應(yīng)用，識別準(zhǔn)確率達(dá)到98.9%。由HSVS-TENG模塊組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)有望通過檢測重大裝備的關(guān)鍵部件，可實(shí)現(xiàn)重大裝備的控制邏輯反饋和故障監(jiān)測的潛在應(yīng)用。

研究者相信，此項(xiàng)研究在摩擦振動(dòng)傳感研究方面，不僅在頻率響應(yīng)范圍和靈敏度的指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)新的高度，同時(shí)也為后續(xù)研究者從事振動(dòng)能量收集和自供電傳感的高功率輸出與寬頻響應(yīng)提供了新的見解。相關(guān)論文在線發(fā)表在。