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暨南大学唐群委教授Nano Energy:静电纺纳米纤维基摩擦电传感器助力提高交通安全

能源环保    2021-11-25 09:59

随着5G网络和物联网的快速发展,智能家电、智能安防系统、环境监测等传感器的应用越来越广泛,同时,也显著提高了我们的生活水平。近年来,基于压电的交通检测技术由于其简单的结构和工作机理引起了人们的广泛关注,然而,仍有许多问题需要改进,如压电传感器的检测灵敏度和范围非常有限,而输出信号的稳定性和可重复性严重阻碍了其在各种场合的应用。此外,作为信息采集器,目前的交通管理系统中使用的传感器大多需要在工作时外部不间断电源。因此,交通管理系统中的物联网应用迫切需要开发具有便携性、低能耗和无线连接的自供电监控系统,以进一步提高道路安全和运输效率。

 

 

鉴于此,暨南大学唐群委教授团队针对智能交通监测和管理的需要,通过使用北京永康乐业静电纺丝机(ET-2535H)研制了一种静电纺丝复合纳米纤维的自供电摩擦电传感器(CN-STS)。碳纳米管进一步掺杂到 PVDF 纳米纤维中,以提高电输出性能和压力敏感性。CN-STS 可以在低压范围 (0–75 kPa) 下实现 0.0406 μCm-2kPa-1 的相对较高的灵敏度,在较高压力范围 (75–425 kPa) 下实现 0.0032 μCm-2kPa-1 的灵敏度,表明 CN-STS 在低压范围内更敏感。

 

为了满足智能交通管理对快速响应和高灵敏度的要求,采用转移电荷密度作为传感信号,与电压/电流输出相比,可以完美记录细微的差异,适用于动态交通监控。交通管理系统在物联网平台的辅助下,通过树莓派上的演示程序实现超速、重叠、车牌识别等功能,为提高道路安全和交通畅通开辟新思路。相关研究成果以“Triboelectric sensor array for internet of things based smart traffic monitoring and management system”为题目发表在期刊《Nano Energy》上。杨希娅副教授、刘广庆博士后、郭琪瑶博士后为共同第一作者,杨希娅副教授和唐群委教授为共同通讯作者。

 

图 1. (a) 具有速度检测、动态潮汐流调节、重叠检测和过载检测功能的交通管理系统概要。(b) CN-STS 的结构设计和树莓派处理输入信号的逻辑流程。(c) 实现交通管理的物联网平台架构云服务。(d) 交通管理系统的工作流程。

 

图 2. (a) 作为 MWCNT 掺杂含量的函数的电荷密度输出性能。(b) 电纺 PVDF-MWCNT 纳米纤维的 SEM 形貌和 (c) PVDF-MWCNT 纳米纤维的直径分布,插图是制造的 PVDF-MWCNT 复合膜的水接触角。(d) 嵌入多壁碳纳米管的 PVDF 典型部分的 TEM 表征。(e) FTIR 光谱和 (f) PVDFMWCNTs 膜的介电常数和介电损耗的频率依赖性。(g, i) 在相同压力下由 PVDF-MWCNT 纳米纤维制造的单个 PENG 和 CN-STS 的 Voc 和电荷密度比较。(h) 通过连接不同的分压器电阻来测量Voc的恢复时间。

 

图3. (a) CN-STS实现的交通管理系统限速调整、车辆重叠检测、超速捕捉功能演示,以及通过树莓派实时输出电荷密度信号。(b) 通过电荷密度的变化除以施加压力的变化计算的 CN-STS 的灵敏度。(c) 通过 CN-STS 阵列和相应的电荷密度响应检测不平衡运行的车辆。