摘要：重慶大學光電學院牟笑靜課題組首次提出準零剛度機理應用于摩擦納米發電機（TENG）中研制了一種超寬頻響應準零剛度高靈敏摩擦振動傳感器（HSVS-TENG）。最終實現頻率響應范圍2.5~4000 Hz, 靈敏度為0.32~134.9 V/g，同時HSVS-TENG具有良好的線性度（0.08~2.81 V/g）。基于此搭建了一套裝備關鍵零部件運行狀態與故障診斷系統，利用機器學習算法達到了98.9%的故障信號識別。

振動是現實生活中普遍存在的現象，它可以提供有關其來源的許多信息。振動傳感器將振動信號轉化為電信號，廣泛應用于海洋環境、機械裝備、大型建筑、交通運載等領域的健康狀態監測。然而，隨著物聯網的蓬勃發展，傳統傳感器由于維護困難、成本高、額外的能量供應以及壽命有限等問題，難以滿足數萬億的傳感器網絡需求。因此，非常希望開發一種不需要維護或額外能源供應的低成本、自供電的振動傳感器。

摩擦納米發電機（TENG）已被證明是一種結構簡單、低成本和輕量級的振動檢測方法。此外，大多數基于TENG的環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、電容式和光纖等其他原理的振動傳感器表現出更高的靈敏度。

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計多自由度、球型、共振結構和柔性薄膜。已有報道的摩擦振動傳感器頻率響應范圍達到了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。

無論是哪種結構，要獲得更寬的帶寬需要更小的驅動阻力，要獲得更大的靈敏度需要足夠的質量來獲得能量。因此，小的驅動阻力和足夠的質量之間的平衡仍然是一個挑戰，這是設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用的關鍵問題。

研究者提出了一種基于摩擦納米發電機的超寬帶高靈敏度振動傳感器(HSVS-TENG)。引入了準零剛度結構，通過優化磁鐵強度和移動部分的重量來最小化接觸分離TENG所需的驅動力，當間隙為零時，磁鐵的斥力等于自重。此時，系統的初始等效剛度接近于零。

結果表明，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、鼓風機等關鍵部件運行狀態及故障類型的探索性應用，識別準確率達到98.9%。由HSVS-TENG模塊組成的傳感器網絡有望通過檢測重大裝備的關鍵部件，可實現重大裝備的控制邏輯反饋和故障監測的潛在應用。

研究者相信，此項研究在摩擦振動傳感研究方面，不僅在頻率響應范圍和靈敏度的指標上實現了一個新的高度，同時也為后續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提供了新的見解。相關論文在線發表在。

審核編輯：劉清