基于摩擦电传感器实现无源周界安全的方法

1.本发明属于微机电、模式识别和传感技术的交叉学科，具体是指一种通过摩擦电传感器或摩擦电传感器阵列感受外部应力变化产生电学信号、通过电荷累积触发机制在极低待机功耗条件下实现周界安全功能的方法。


背景技术：

2.应力传感器可将应力信号转换为可读取分析的电学信号，不仅广泛用于桥梁、大坝、铁轨等平台形变的静力学监测，还广泛应用于金库、保险柜、机要室等重要空间的动态周界安全。按照能量转换的方式，可将应力传感器划分为机械传感器、电学传感器和光学传感器。机械传感器是指通过机械结构变化诱发电学参数变化的传感器，传感特性高度依赖于机械结构的变化；电学传感器是指将机械能转换为电能的一种传感器，应力变化是电学信号产生的驱动源；光学传感器是指通过应力变化改变光场特性或诱发产生光场，先将应力信号转换为光学信号再通过光电探测器转换为通用电学信号。对于不同的周界安全应用场景，最优选传感器的种类也不尽相同，机械传感器在灵敏度具有优势，但对高频信号响应能力较弱；电学传感器高度兼容于信息处理电路，但在精度等方面优势不甚明显；光学传感器有望实现超高灵敏度应力传感，但需要搭建精密的调制光路，系统稳定性成为固有短板。
3.周界安全系统除需兼容灵敏度、精度、系统稳定性、信号带宽等指标参数外，对功耗也有特殊需求。对于长期监测的周界安全系统，入侵事件是小概率时间，但系统往往需要为无任何物理量变化(即无任何入侵行为)的常态提供大量的运行能量，对于依靠储能电源的系统来说，这一特性严重影响了周界安全系统的工作时间。一种解决上述问题的策略是，让周界安全系统处于睡眠状态，当且仅当系统感知到入侵事件时唤醒系统并开启周界安全系统。


技术实现要素：

4.针对上述缺陷，本发明要解决的技术问题是如何将摩擦电材料均匀纳入垫料支撑摩擦电应力传感器或摩擦电应力传感器阵列，摩擦电传感器可在外力作用下产生摩擦电信号，周界安全系统启动端接收摩擦电信号，通过电荷累积等方式继电启动周界安全系统，周界安全系统通过模式识别等手段分析摩擦电信号的特征，实现对应力相关入侵事件的高效甄别。
5.针对上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于摩擦电传感器实现无源周界安全的方法，将摩擦电材料均匀纳入垫料支撑摩擦电传感器或摩擦电传感器阵列，配备可将摩擦电信号导出的柔性伺服电路，摩擦电传感器在外力作用下产生摩擦电信号；当入侵事件没有发生时，周界安全系统处于近零功耗待机状态，当入侵事件发生时，摩擦电传感器在外力作用下产生摩擦电信号，通过积分累积形成触发信号，启动周界安全系统；周界安全系统启动后，将对摩擦电信号进行特征分析，利用模式识别反演入侵事件，以实现周界安全。
6.优选的，在上述摩擦电传感器内嵌入柔性电路，将摩擦电效应产生的电学信号导
出。
7.优选的，当上述摩擦电传感器以阵列方式存在时，采用并联柔性电路并使用单一引线导出所有摩擦电传感器的电学响应。
8.优选的，摩擦电信号输出并复用为两路，一路为特征信号，无损保留着摩擦电信号的参数特征，另一路为启动信号，用于触发周界安全系统。
9.优选的，上述方法具体包括以下步骤：
10.s1、制备摩擦电传感器或摩擦电传感器阵列，将摩擦电材料均匀纳入垫料中制备成摩擦电传感器或摩擦电传感器阵列，同时配套有柔性电路导出摩擦电信号；摩擦电传感器是指将应力信号转换为电场信号输出的独立传感器，摩擦电传感器阵列是指将应力分布转换为并行或串行电场信号输出的分布式传感器；
11.s2、将摩擦电传感器或摩擦电传感器阵列的输出信号拆解成两部分，一部分用于启动待机状态的周界安全系统，通过电荷累积、电磁继电或积分触发方式实施，另一部分输入启动后的周界安全系统，通过特征分析、模式识别甄别入侵事件；
12.s3、当传感器监测到入侵事件时周界安全系统启动运行，周界安全系统启动后，将对摩擦电信号进行特征分析，利用模式识别反演入侵事件，以实现周界安全。
13.优选的，启动信号通过积分器输入并控制周界安全系统开机，特征信号则输入周界安全系统中的模式识别模块。
14.优选的，上述周界安全系统开机后，通过模式识别方式对特征信号进行甄别，判断入侵事件的类型。
15.优选的，积分器持续识别启动信号，超过一定时间未收到启动信号，则将周界安全系统切换为低功耗的待机状态，等待下一次入侵事件发生时重新启动。
16.本发明提供一种如上述基于摩擦电传感器实现无源周界安全的系统，包括摩擦电传感器或摩擦电传感器阵列以及周界安全系统，将摩擦电材料均匀纳入垫料中制备成摩擦电传感器或摩擦电传感器阵列，同时配套有柔性电路导出摩擦电信号；摩擦电传感器是将应力信号转换为电场信号输出的独立传感器，摩擦电传感器阵列是将应力分布转换为并行或串行电场信号输出的分布式传感器，将摩擦电传感器或摩擦电传感器阵列的输出信号拆解成两部分，一部分用于启动待机状态的周界安全系统，通过电荷累积、电磁继电或积分触发方式实施，另一部分输入启动后的周界安全系统，通过特征分析、模式识别方式甄别入侵事件。
17.本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。
18.与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：
19.首先，本发明提出利用摩擦电传感器实现周界安全的设计思想，即通过摩擦电材料在外力作用下产生的电学信号响应甄别入侵事件，为周界安全系统性能提升提供一种全新技术手段；
20.其次，本发明提出待机-启动的周界安全系统运行策略，即通过入侵事件引发的电学信号启动周界安全系统，在无入侵事件发生时关闭周界安全系统，该策略能极大提升周界安全系统的运行时间；
21.此外，本发明所述基于摩擦电效应的应力传感器也是一种无源传感器，毋须外部
功能即可实现长时间应力检测，能耗远低于光纤振动传感器，这样的特性将为长时间、可定制周界安全系统开发提供重要保障。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1示出了本发明基于摩擦电传感器实现无源周界安全的方法的一实施例示意图；
24.图2示出了本发明基于摩擦电传感器的无源周界安全系统示意图；
25.图3示出了本发明基于摩擦电传感器实现无源周界安全的方法的另一实施例示意图。
具体实施方式
26.下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
27.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
28.如图1所示，本发明提供了一种基于摩擦电传感器实现无源周界安全的方法的实施例，包括：
29.s101、摩擦电传感器或摩擦电传感器阵列的制备，将摩擦电材料均匀纳入垫料支撑摩擦电传感器或摩擦电传感器阵列，同时配备可将摩擦电信号导出的柔性伺服电路，摩擦电传感器可在外力作用下产生摩擦电信号；
30.s102、周界安全系统的启动，当入侵事件没有发生时，周界安全系统处于近零功耗待机状态，当入侵事件发生时，摩擦电传感器在外力作用下产生摩擦电信号，通过积分累积形成触发信号，启动周界安全系统；
31.s103、入侵事件甄别，周界安全系统启动后，将对摩擦电信号进行特征分析，利用模式识别等手段反演入侵事件，达到周界安全的目的。
32.如图2所示，本实施例展示了基于摩擦电传感器的无源周界安全系统实施例，其实施步骤为：
33.(1)通过合成或生长等工艺制备内涵摩擦电材料的摩擦电传感器，摩擦电材料尺
寸结构和垫料材质需要精确优化，使摩擦电材料能在外力作用下产生最强的电学信号输出；
34.(2)在摩擦电传感器内嵌入柔性电路，将摩擦电效应产生的电学信号导出；当摩擦电传感器以阵列方式存在时，可采用并联柔性电路并使用单一引线导出所有摩擦电传感器的电学响应；
35.(3)摩擦电信号输出并复用为两路，一路为特征信号，近乎无损保留着摩擦电信号的参数特征，另一路为启动信号，用于触发周界安全系统。
36.(4)启动信号通过积分器输入并控制周界安全系统开机，特征信号则输入周界安全系统中的模式识别模块；
37.(5)当摩擦电传感器受到外力作用时，摩擦电效应产生电学信号响应，其中启动信号将在积分器中进行累积，达到阈值条件即触发周界安全系统；周界安全系统开机后，通过模式识别方式对特征信号进行甄别，判断入侵事件的类型；
38.(6)积分器持续识别启动信号，超过一定时间未收到启动信号，则将周界安全系统切换为低功耗的待机状态，等待下一次入侵事件发生时重新启动。
39.如图3所示，本实施例还提供一种基于摩擦电传感器实现无源周界安全的方法，包括：
40.s201、制备摩擦电传感器或摩擦电传感器阵列，将摩擦电材料均匀纳入垫料中制备成摩擦电传感器或摩擦电传感器阵列，同时配套有柔性电路导出摩擦电信号；摩擦电传感器是指将应力信号转换为电场信号输出的独立传感器，摩擦电传感器阵列是指将应力分布转换为并行或串行电场信号输出的分布式传感器；
41.s202、将摩擦电传感器或摩擦电传感器阵列的输出信号拆解成两部分，一部分用于启动待机状态的周界安全系统，通过电荷累积、电磁继电或积分触发等方式实施，另一部分输入启动后的周界安全系统，通过特征分析、模式识别等方式甄别入侵事件；
42.s203、无源周界安全系统的无源包括两方面，一是传感器具有自供能特性，不须提供外部供电，二是当且仅当传感器监测到入侵事件时周界安全系统才启动运行并大量消耗能量，无入侵事件时周界安全系统只需满足开机基本条件即可。
43.在一些实施例中，摩擦电传感器是指将应力信号转换为电场信号输出的独立传感器，摩擦电传感器阵列是指将应力分布转换为并行或串行电场信号输出的分布式传感器。
44.在一些实施例中，可感知外力作用并产生电学响应，将外力产生的机械能转换为电能，以单电极模式摩擦传感器为例，采用表面结构化的pdms薄膜作为摩擦层，pdms\cnt或paam\cnt复合材料作为电极层，将一根铜线插入电电极层作为引线，并将复合材料电极层置于两层pdms薄膜之间形成三明治结构，即可实现摩擦电应力传感功能。
45.在一些实施例中，在无入侵事件时，周界安全系统处于近零功耗待机状态；
46.在一些实施例中，当入侵事件发生时，摩擦电传感器将入侵事件造成的应力信号转换为电学响应信号并拆解为两部分，一部分用于启动待机状态的周界安全系统，可通过电荷累积、电磁继电或积分触发等方式实施，另一部分输入启动后的周界安全系统，通过特征分析、模式识别等方式甄别入侵事件。
47.在一些实施例中，不限定周界安全系统的启动方式和入侵事件甄别的核心算法，不限定摩擦电应力传感器或应力传感器阵列的部署方式、覆盖范围、应用场景。凡使用摩擦
电传感器进行应力传感并且具备上述超低功耗运转策略的方案均属于本发明要求范围。
48.与现有技术相比，本发明具有以下优势：
49.首先，本发明提出利用摩擦电传感器实现周界安全的设计思想，即通过摩擦电材料在外力作用下产生的电学信号响应甄别入侵事件，为周界安全系统性能提升提供一种全新技术手段；
50.其次，本发明提出待机-启动的周界安全系统运行策略，即通过入侵事件引发的电学信号启动周界安全系统，在无入侵事件发生时关闭周界安全系统，该策略能极大提升周界安全系统的运行时间；
51.此外，本发明所述基于摩擦电效应的应力传感器也是一种无源传感器，毋须外部功能即可实现长时间应力检测，能耗远低于光纤振动传感器，这样的特性将为长时间、可定制周界安全系统开发提供重要保障。
52.为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本技术时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
53.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
54.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
55.本技术可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本技术，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
56.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
57.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
58.在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(cpu)、输入/输出接口、网络接口和内存。
59.内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(ram)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(rom)或闪存(flash ram)。内存是计算机可读介质的示例。
60.计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
61.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
62.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
63.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。