振動是現(xiàn)實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。振動傳感器將振動信號轉(zhuǎn)化為電信號，廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境、機械裝備、大型建筑、交通運載等領(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)一種不需要維護或額外能源供應(yīng)的低成本、自供電的振動傳感器。

摩擦納米發(fā)電機（TENG）已被證明是一種結(jié)構(gòu)簡單、低成本和輕量級的振動檢測方法。此外，大多數(shù)基于TENG的環(huán)境振動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傳感器表現(xiàn)出更高的靈敏度。

為了拓寬基于TENG的振動傳感器的測量振動頻率范圍，研究人員一直致力于設(shè)計多自由度、球型、共振結(jié)構(gòu)和柔性薄膜。已有報道的摩擦振動傳感器頻率響應(yīng)范圍達到了2 kHz，但其靈敏度(在超過幾千赫茲的振動頻率下~ 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)動阻力和足夠的質(zhì)量之間的平衡仍然是一個挑戰(zhàn)，這是設(shè)計一個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)電機的超寬帶高靈敏度振動傳感器(HSVS-TENG)。引入了準零剛度結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化磁鐵強度和移動部分的重量來小化接觸分離TENG所需的驅(qū)動力，當間隙為零時，磁鐵的斥力等于自重。此時，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，且輸出信號在不同加速度下呈現(xiàn)良好的線性。完成了利用機器學習算法檢測電機、減速器、軸承、壓縮機、鼓風機等關(guān)鍵部件運行狀態(tài)及故障類型的探索性應(yīng)用，識別準確率達到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，此項研究在摩擦振動傳感研究方面，不僅在頻率響應(yīng)范圍和靈敏度的指標上實現(xiàn)了一個新的高度，同時也為后續(xù)研究者從事振動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。