一种基于摩擦纳米发电机的纳米颗粒填充电介质等效电容测试系统及方法

1.本发明属于微纳传感领域，涉及一种基于摩擦纳米发电机的纳米颗粒填充电介质等效电容测试系统及方法。


背景技术：

2.随着纳米流体及纳米复合物不断快速发展及应用领域的不断扩大，纳米颗粒的应用已经在电子学、传热学、摩擦学、医学、环境学等领域发挥着自身特性的优势，其分散性表征在纳米流体和纳米复合材料中起着至关重要的作用。根据电双层理论，纳米颗粒在溶液中的分布可以看作是一系列的电容聚集，但是利用纳米颗粒的电双层模型测量等效电容来表征颗粒分散性的研究尚未开展，因此需要探索纳米颗粒等效电容的测试电路与方法。
3.目前，纳米颗粒分散性的测试主要采用间接的电位法、透射比法和直接的动态光散射法及电镜扫描法。这类间接法主要通过测量颗粒表面电位大小或吸收光谱来评估，仅适合稀溶液，有一定的局限性；另外直接测量法也存在结果再现性差、粒度分布表征的破坏性较大等弊端。采用基于摩擦纳米发电机的纳米颗粒填充电介质等效电路测试具有结构简单、操作容易、样品测试时间短、测试效率高、适应性高、结果再现性好等优点，还能进一步用于分析纳米颗粒在纳米流体体系内的多种作用势，为定量演算胶体相变、流体传热、动态润湿、自组装等多尺度过程提供关键参数。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于摩擦纳米发电机的纳米颗粒填充电介质等效电容测试系统及方法，利用teng作为恒电荷源，稳定输出信号并根据输出的电压、转移电荷量信号进行频谱参数分析，然后利用优化算法实现纳米颗粒等效电容的辨识。
5.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种基于擦纳米发电机的纳米颗粒填充电介质等效电容测试系统，包括：teng模块和纳米颗粒待测电容模块；所述teng模块包括teng和测试电路，其中teng表示摩擦纳米发电机；
7.所述teng作为恒电荷电源，用于稳定输出恒定的电荷量，更易与纳米颗粒的等效电容耦合；
8.所述纳米颗粒待测电容模块包括多个c
np1
与多个c
npi
为颗粒团聚体的等效电容，按照不同种类n并联，再根据同一种类的不同数量n串联；其中n为团聚体数量，n为纳米颗粒团聚体种类；
9.所述测试电路包括电容c0、电阻r0和最佳负载匹配阻抗r
l
，其中c0和r0并联再与r
l
串联连接。
10.进一步，所述teng为管状液固摩擦纳米发电机，该发电机主体包括圆环形软管、液体摩擦介质、纳米颗粒和导电电极终端；所述圆环形软管的几何等效电容为c0，由电容电阻
计测。所述圆环形软管的内部电阻为r0，一般与最佳负载匹配阻抗r
l
相等，通过teng电源进行实验测试提前确定。
11.进一步，所述管状液固摩擦纳米发电机测试待测纳米流体样品的电气连接方式为，管状摩擦纳米发电机主体的导电电极两端经外部最佳匹配阻抗并联电压表，串联电流表。
12.进一步，圆环形软管材质的选择包括但不限于以下材料：全氟乙烯丙烯、聚氯丁二烯、聚异丁烯、聚甲醛、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、聚乙醇缩丁醛、苯乙烯丙烯共聚物、聚酰胺、聚酰亚胺、三聚氰胺甲醛、聚碳酸酯、氯丁橡胶、天然橡胶、纤维素、乙基纤维素、纤维素乙酸酯；
13.进一步，液体摩擦介质的选择包括但不限于以下材料：去离子水、乙酸乙酯、乙酸正丙酯、氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、碳酸钠溶液、碳酸氢钠溶液、碳酸钾溶液、氨水、矿物绝缘油、植物绝缘油、合成脂油、糠醛等；
14.进一步，纳米颗粒的选择包括但不限于以下任意一种材料：二氧化硅、氧化锌、氮化铝、三氧化二铝、锆钛酸钡钙、钛酸钡、氧化铋、钨酸铋、碳酸钙、氢氧化铝、碳纳米管、氧化铈、钴锰铁氧体、氧化铜、钛酸钙铜等。
15.进一步，导电电极终端的材料选自金属或合金；其中金属包括铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒；合金包括、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。
16.进一步，该系统的等效电容测试方法具体包括以下步骤：
17.s1：通过电双层模型建立纳米颗粒待测电容模块，引入teng作为恒电荷电源实现稳定的电压和转移电荷量的输出；
18.s2：通过考虑结构自身的电路参数结合纳米流体参数，建立测量评估纳米颗粒等效电容的电容电路模型；
19.s3：teng内部电容频谱分析方法：通过输出信号的频谱得到内部电容的频域信息；
20.s4：纳米流体中等效电容的辨识方法：利用量子遗传算法和局部优化l-m算法进行参数辨识，从而计算出颗粒的等效电容值。
21.进一步，步骤s3中，所述teng内部电容频谱分析方法为：同时采集电流表和电压表的时序信号，记录q
l
和vc的时域波形，并利用快速傅里叶方法计算信号的频谱信息即在频域下的c
in
；其中，q
l
和vc分别为转移电荷量和内部电容两端的电压，c
in
为teng的内部电容。
22.进一步，步骤s4中，所述纳米流体中等效电容的辨识方法为：已知参数为c0、r0和c
in
的实验测量值，待定参数为c
npi
和ni，因此将纳米流体的参数辨识转化为非线性规划问题，采取先全局后局部的算法寻优，求解的目标是使|c
in
|的计算值和实验值误差最小，最后得到纳米颗粒的等效电容值的分布和样品中颗粒团聚体的种类数；其中，c
npi
为第i类团聚体等效电容；ni是第i类团聚体等效电容的串联阶数。
23.进一步，步骤s4具体包括：采用最小二乘法建立优化目标函数f，即保证内部电容|c
in
|的实际测量值与模型计算值的误差最小；
[0024][0025]
其中，c
′
actual
和c
″
actual
分别为实部和虚部的实际测量值，c
′
model
和c
″
model
分别为实
部和虚部的模型计算值；通过将c
′
model
和c
″
model
按照各支路下复电容的实部c
′
和虚部c
″
进行迭代计算，在满足一定精度的情况下，当求解目标函数f趋近于最小值0时，ni和c
npi
即为满足要求的最优解集；
[0026]
针对目标函数f的高维非线性，求解过程对算法的初值选取和收敛能力要求较高，为避免单一算法在进行多参数非线性优化时存在较为严重的初值依赖性、易陷入局部收敛以及计算效率或搜索精度不高等问题，因此本发明采用遗传算法和levenberg-marquardt算法相结合的融合算法对参数辨识的最优化模型进行求解；先使用遗传算法进行全局优化，以确定电路阶数n，并初步收紧可行域，然后利用levenberg-marquardt算法在遗传算法给出的可行域内实现精确局部寻优，得出c
np
的参数辨识结果。
[0027]
本发明的有益效果在于：本发明测试系统的电路具有结构简单、操作容易、缩短样品测试时间、提高测试效率等优点。进而获取纳米流体中颗粒等效电容的详细信息，有助于为纳米流体在多物理场的多尺度过程提供关键参数。
[0028]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0029]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0030]
图1为teng内部电容c
in
的测试电路；
[0031]
图2为辨识纳米流体参数的等效电容电路模型；
[0032]
图3为管状液固摩擦纳米发电机结构及工作示意图；
[0033]
图4为测量电路模型的内部电容计算结果；
[0034]
图5为纳米流体中的纳米颗粒等效电容的计算方法；
[0035]
图6为纳米颗粒等效电容的结果；
具体实施方式
[0036]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0037]
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0038]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描
述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0039]
请参阅图1～图6，本发明提供了一种基于管状液固摩擦纳米发电机的纳米颗粒填充介质等效电容测试系统，本发明具体可应用于测量纳米流体中纳米颗粒的等效电容，以及进一步用于分析纳米颗粒在纳米流体体系内的多种作用势，为定量演算胶体相变、流体传热、动态润湿、自组装等多尺度过程提供关键参数。本发明的核心思路是，通过电双层模型建立了纳米颗粒的电容支路，引入teng作为恒电荷电源实现稳定的电压和转移电荷量的输出。通过考虑结构自身的电路参数结合纳米流体参数建立了测量评估纳米颗粒等效电容的电容电路模型。通过输出信号的频谱得到内部电容的频域信息，再利用量子遗传算法和局部优化l-m算法进行参数辨识计算颗粒的等效电容值。适用测试纳米流体中的纳米颗粒范围广泛，包括但不限于：各类导电型，半导电型、绝缘型，以及其他液体介质下的纳米流体。
[0040]
图1展示的是teng内部电容c
in
的测试电路。如图1所示，在teng与纳米流体的等效电路模型中，c
in
主要根据测量的vc和q
l
的频谱信息计算得到，随着纳米流体样品的不同而不同。
[0041]
图2展示的是辨识纳米流体参数的等效电容电路模型。c0由电容电阻计测得约为20mf。同样地，r0和r
l
在电路中均取最大匹配负载阻抗值10mω。如图2所示，关于纳米流体的c
np
部分主要考虑不同种类的团聚体电容和同类团聚体等效电容的串联阶数。根据细化的电路模型，假设纳米颗粒的总体积始终不变，因此不同类的电容之间满足如式(1)的关系。
[0042][0043]
从电路中可以看出c
npi
的串联电路对应于不同类别的团聚体等效电容。针对n条支路的等效电路模型，其端口导纳值为
[0044][0045]
再根据电介质复电容的定义可得式(3)为
[0046][0047]
根据式(3)可以得出各支路下复电容的实部c
′
和虚部c
″
表达式分别如式(4)、(5)所示。
[0048][0049][0050]
最后，根据测量信号的频谱信息得到内部电容值c
in
的模值为
[0051][0052]
式(2)-(6)中ω为频率，c
in
为teng的内部电容,c0为管材的几何等效电容，r0为管材的内部电阻，c
npi
为第i类团聚体等效电容。ni是第i类团聚体等效电容的串联阶数，显然它与第i类团聚体的相对含量成正比。从式(4)-(6)可以发现目前已知参数为c0、r0和c
in
的实验测量值，待定参数为c
npi
和ni，因此将纳米流体的参数辨识转化为非线性规划问题，采取先全局后局部的算法寻优，求解的目标是使|c
in
|的计算值和实验值误差最小，并最终计算出c
np
和ni。
[0053]
图3展示的是液固摩擦纳米发电机作为恒电荷源的电源的结构及工作原理。左图所示，液固摩擦纳米发电机由三部分组成：fep管、液体介质、铜电极。fep管被选作电负性材料，具有较好的柔性和疏水性特征。该管状液固摩擦纳米发电机安装在基座上，以固定管状液固摩擦纳米发电机。在此，我们设计了7对电极，相邻电极为不同的正负电极，且相邻电极之间的间隔尺寸可以优化调整。此外，在右图中详细地说明了teng的整个发电过程。在初始状态下，fep内管和注入的液体介质经过充分接触后，根据摩擦电系列可知fep管内表面带负电，液体介质带正电，由电荷守恒原理可知fep管内壁的负电荷数量与液体中的正电荷数量相等。当液体介质向右移动过程中，左右两侧导电电极之间会产生不对称的电荷形成电势差，以此驱动电子通过外部电路从一个电极流向另一个电极，这时就会产生电流信号。当液体位于左右电极的中间位置时，此时左右电极之间保持平衡，没有电势差的产生。最后，当液体流动到右侧电极并且正好完全覆盖了右侧电极时，电流方向反向。至此，teng的一个完整发电周期就完成了。
[0054]
图4为测量电路的内部电容计算结果。根据teng输出并计算得到的电容两端电压和转移电荷量信号，通过频谱信息计算不同样品的c
in
。并将c
in
的数据进行了均值滤波处理得到清晰的差异信号。图中显示了在不同超声时间下内部电容分量随频率的变化，可以发现在基频处有一个最大值，并随频率逐渐减小。随着超声时间的增加，内部电容分量总体呈下降趋势。图中频率为电气参数，由快速傅里叶变换计算而来。
[0055]
图5为纳米流体中的纳米颗粒等效电容的参数辨识方法。从上式(4)和(5)可以看出c
in
的实部和虚部与c
npi
和ni有关，因此本文选取c
in
数据的c
′
和c
″
作为参数辨识的参考数据。并且还说明了该电路模型的参数辨识本质为多参数非线性拟合问题，进而可将该问题转换为对应的多参数非线性最优化模型加以求解。针对这一问题，本实施例采用最小二乘思想建立优化目标函数f，如式(7)所示，即保证内部电容|c
in
|的实际测量值与模型计算值的误差最小。
[0056][0057]
式中，c
′
actual
和c
″
actual
分别为实部和虚部的实际测量值，c
′
model
和c
″
model
分别为实部和虚部的模型计算值。通过将c
′
model
和c
″
model
按照上式(4)及式(5)进行迭代计算，在满足一定精度的情况下，当求解目标函数f趋近于最小值0时，ni和c
npi
即为满足要求的最优解集。对于优化目标的高维非线性函数，求解过程对算法的初值选取和收敛能力要求较高，为避免单一算法在进行多参数非线性优化时存在较为严重的初值依赖性、易陷入局部收敛以及计算效率或搜索精度不高等问题，因此本实施例采用遗传算法和levenberg-marquardt算法相结合的融合算法对参数辨识的最优化模型进行求解。先使用遗传算法进行全局优化，以确定电路阶数n,并初步收紧可行域，然后利用levenberg-marquardt算法在遗传算法给出的可行域内实现精确局部寻优，得出c
np
的参数辨识结果。
[0058]
图6为不同超声时间下等效电容的测量结果。按照上述过程对被测样品输出电压和转移电荷的频谱信号进行分析后，能够得到不同样品的c
np
值。在本例中，采用体积分数为0.01％的sio2纳米流体在不同超声时间下分别进行电气测量，通过对输出信号的频谱信息分析，并引入算法进行参数辨识。在实验的0到60min内，随着超声时间的增加，纳米颗粒的等效电容值的分布范围逐渐左移，数值变小。
[0059]
本实施例中还提供各模块的制备方法，首先说明的是用于测量纳米颗粒等效电容的变频液固式摩擦纳米发电机的具体制作方法。teng的软管选择4mm厚内径的fep管，首先被截取为7对电极长度，且7对背面有粘性的导电铜带(5cm)按照间隔占比1到8有序递减，并粘贴至fep管表面，形成变频多栅极结构。电极长度可以调节到所需的长度(2、3、4、5和6cm)，并且保证液体介质长度与铜电极长度一致即可。此外，将teng安装在亚克力板的基座上固定，其中相邻铜电极为相反电极，各段铜电极交叉相连。
[0060]
纳米流体的制备：先将一定量的去离子水和特定量的纳米颗粒混合加入烧杯配制成具有不同体积分数的纳米颗粒溶液，然后利用超声波细胞粉碎机进行不同时间的超声分散，最后得到不同分散性的纳米流体样品。
[0061]
电输出测量：teng装置的开路电压和转移电荷由keithley 6514系统静电计测量。测量信号在labview控制的高速数据采集系统下输入。
[0062]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。