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该研究提出一种基于锥形微结构的全柔性三轴摩擦电振动传感器（CMF-TVS），通过耦合TPU纳米纤维薄膜与PDMS微锥层，实现30-1000Hz宽频响应，可检测0.127μm微幅振动，并保持12000次循环稳定性。系统通过柔性电路与混合神经网络集成，在八种机械工况下达到98.75%状态识别准确率，为复杂工业环境中的长期在曲表面振动监测提供自供电解决方案。
饶宇轩|于行格|蔡振鹏|袁玉龙|向丽|潘安连
中国湘潭大学湖南先进传感与信息技术研究院，湘潭411105
摘要
能源和工业系统的安全稳定运行在很大程度上依赖于精确的振动监测。然而，传统的刚性振动传感器在适应工业设备中普遍存在的曲面时面临挑战，这会导致信号失真并限制其部署灵活性。尽管新兴的柔性传感器有所改进，但它们通常存在一些局限性，如对电磁干扰敏感、低频响应差或制造工艺复杂。为了解决这些问题，本研究提出了一种完全灵活、高度集成的摩擦电振动监测系统，该系统以基于圆锥微结构的柔性摩擦电振动传感器（CMF-TVS）为核心，用于智能机械状态监测。在设备层面，CMF-TVS通过将热塑性聚氨酯（TPU）纳米纤维薄膜与具有圆锥微结构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）层结合而成。这种点接触摩擦电界面降低了机械激活阈值，并能够在小幅度激励下产生稳定的信号。CMF-TVS实现了30–1000赫兹的宽带频率响应，能够检测到小至0.127微米的振动幅度，并在12,000次循环后仍保持稳定性。得益于传感单元和结构设计的固有灵活性，该系统能够牢固地适应平面和曲面。此外，该系统集成了混合神经网络，在八种不同的机械运行条件下实现了98.75%的显著状态识别精度，显示出在复杂工业环境中进行自供电、原位振动监测的巨大潜力。这项工作为在实际复杂工业环境中实现长期、原位振动监测提供了一种易于部署的灵活解决方案。
引言
能源和工业系统——特别是电网——的安全稳定运行在很大程度上依赖于对关键电气设备的实时状态监测[1]、[2]。诸如气体绝缘开关设备（GIS）[3]、电力变压器[4]、输电线路和各种泵送单元等组件在实际运行过程中经常会发生机械振动，其振动特性反映了它们的运行状态和潜在故障[5]、[6]。因此，长期、实时的振动监测是评估工业设备机械健康状况、诊断初期缺陷和防止系统意外故障的关键方法[7]。
实际上，振动信号包含了关于设备状态的丰富动态信息，这些信息分布在广泛的频率范围内[8]。工业环境中遇到的振动频率范围很广，从低频（>10赫兹）到高频（约1000赫兹甚至更高[9]，不同的频率带通常对应不同的机械行为特征。例如，在变压器中，振动由铁芯的磁致伸缩、绕组上的电磁力以及负载分接开关的操作引起，特定的频率成分可以指示绕组变形或铁芯松动等状况[10]、[11]。同样，在GIS中，局部放电故障会产生与正常运行明显不同的振动特征[3]。因此，准确获取这些信号对于状态评估和预测性维护至关重要。此外，在泵送单元的旋转机械中，振动特征通常受到电气负载、转速和外部环境条件变化的影响[12]、[13]。这些因素赋予了振动响应特征性特征，可以用来评估设备状态。因此，开发先进的信号处理和传感技术在振动分析中已成为实时状态监测、故障诊断和预测性维护的关键工具[14]。
然而，传统的振动传感器通常由刚性材料制成，存在显著的实际限制[15]。它们的固有不灵活性阻碍了它们与许多电力装置和管道系统中常见的复杂曲面的紧密贴合。这种无法实现紧密接触的情况往往导致信号失真和数据采集的不准确性[16]、[17]、[18]。此外，频繁需要复杂的布线和外部驱动电路，使得整个系统的集成变得复杂，并限制了它们长期、分布式部署的适用性。为了克服这些限制，各种新兴的柔性振动传感方法提供了有希望的替代方案，但它们仍然存在固有的局限性。压阻式[19]、[20]、[21]、[22]和电容式[23]、[24]、[25]传感器虽然适合灵活设计且架构相对简单，但在实际应用中往往受到限制。压阻式传感器极易受到环境噪声和材料疲劳的影响[5]，而电容式变体通常具有较差的信噪比和对外部电磁干扰的较高敏感性[26]。关键的是，这两种类型通常需要外部电源进行信号转换，增加了整个系统的功耗，降低了它们自维持、长期监测的吸引力[27]、[28]。压电振动传感器具有宝贵的自供电能力[29]、[30]、[31]，但由于低频响应不足、依赖专用极化材料以及复杂的、成本高昂的制造工艺，其广泛应用受到阻碍，这些因素共同阻碍了低成本、灵活的集成[32]。
近年来，基于摩擦电纳米发电机（TENG）的振动传感器作为一种自供电传感解决方案应运而生，利用了它们对低频机械响应的出色敏感性[33]、[34]、[35]。这些传感器具有多种功能材料的选择，并在结构设计上具有相当的灵活性，使其适用于各种监测场景。例如，Bhatta等人[36]开发了一种完全弹性的柱状阵列摩擦电传感器，能够在宽频率范围内跟踪机械状态。同样，Zhao等人[37]采用了多层薄膜架构来提高对低幅度振动的灵敏度。然而，这样的设计通常依赖于刚性或混合封装，这限制了它们对电气和工业设备中常见的曲面的紧密贴合。尽管Zou等人[38]提出了一种使用导电海绵和硅胶的柔性传感器，能够更好地适应非平面检测，但其性能仍受限于对弱振动的有限灵敏度和有限的频率响应范围。重要的是，所报道的系统中没有一个采用了完全灵活的集成传感系统解决方案，这些系统仅在柔性传感器演示方面有限，进一步阻碍了它们在现实世界中空间受限环境中的实际部署。
在这项工作中，我们提出了一种高度集成的柔性摩擦电振动监测系统，该系统包括基于圆锥微结构的柔性摩擦电振动传感器（CMF-TVS）、定制的柔性电路和混合神经网络。在这个集成架构中，CMF-TVS作为核心转换单元，结合了宽频率响应、优异的适应性和长期运行稳定性。传感单元是通过将热塑性聚氨酯（TPU）纳米纤维薄膜与具有明确圆锥微结构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）层直接接触而构建的。这种基于微锥的直接接触配置作为一种稳定且低阈值的摩擦电转换界面，能够灵敏地检测低幅度振动信号。由于传感材料和电路架构的固有灵活性，整个系统能够轻松适应曲面，克服了传统刚性传感器在非平面或空间受限环境中的局限性。为了进一步验证所提出系统的实际适用性，在八种不同的机器运行条件下系统地获取了振动信号。随后使用混合神经网络模型处理这些信号，实现了高达98.75%的状态识别精度。通过协同结合微结构工程、灵活的系统集成和智能信号分析，这项工作为具有曲面的工业系统中的振动监测提供了可靠的解决方案。
CMF-TVS和系统架构的设计
图1a展示了所提出的柔性振动监测系统的概念设计，该系统可以贴合部署在电力网格中各种电气设备的平面和曲面上——如变压器、电机和管道——以捕获运行振动信号。图1b提供了包含CMF-TVS和定制柔性电路的完全集成柔性系统的光学图像。CMF-TVS的结构细节显示在
结论
总之，我们成功开发并展示了一种高性能、灵活的摩擦电振动传感器，该传感器具有圆锥微结构，适用于在曲面上的智能工业设备监测。静电纺丝TPU纳米纤维薄膜和微锥图案化PDMS层的协同组合创建了一个高度响应的摩擦电界面，能够在宽频率范围内高灵敏度地检测微弱振动。CMF-TVS表现出
材料
热塑性聚氨酯（TPU）颗粒（分子量100,000）购自巴斯夫公司（德国）。聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性体和硅胶固化剂（Sylgard 184）购自陶氏康宁公司（美国）。N,N-二甲基甲酰胺（DMF）（≥99%）和丙酮购自上海阿拉丁生化科技有限公司。圆锥微结构的制备
通过在亚克力板上激光雕刻图案来制备微结构模具。聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性体和固化剂CRediT作者贡献声明
饶宇轩：撰写——原始草稿、软件、方法论、数据管理、概念化。于行格：撰写——审阅与编辑、方法论、调查。蔡振鹏：形式分析、数据管理。袁玉龙：方法论、调查。向丽：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目管理、概念化。潘安连：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目管理、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
致谢
本工作部分得到了中国国家重点研发计划（项目编号2024YFB4405300、2022YFA1402501和2022YFA1204300）、国家自然科学基金（项目编号62101181、52221001、62090035、52372146和U22A20138）、中国科学院战略性先导科技专项（项目编号XDB0890000）以及湖南省重点研发计划（项目编号2022GK3002和2023GK2012）的支持。
饶宇轩于2023年获得中国湖南工业技术大学的学士学位，目前在中国湘潭大学攻读硕士学位。他的当前研究兴趣包括柔性传感系统。
