《Sensors and Actuators A: Physical》：Separating flow and state in segmented two-phase transport via time-of-flight triboelectric flow sensing and deep-learning-based state classification
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金成贤|孔惠成|元东俊|李尚民•提出了DE-TOF TENG技术用于监测气液分段流动。•该方案已通过光学参考方法进行验证。•DE-TOF技术建立了双模式传感框架。•测量基于分段气液传输的传输时间。•该方法提供了一种实用、可扩展且非侵入式的芯片级解决方案。引言在化学加工、生物医学设
金成贤|孔惠成|元东俊|李尚民
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提出了DE-TOF TENG技术用于监测气液分段流动。
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该方案已通过光学参考方法进行验证。
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DE-TOF技术建立了双模式传感框架。
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测量基于分段气液传输的传输时间。
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该方法提供了一种实用、可扩展且非侵入式的芯片级解决方案。
引言
在化学加工、生物医学设备、喷墨打印和环境系统等众多应用中，精确的流量监测至关重要，因为这些领域对设备的可靠性与无缝集成有着严格要求[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。传统的流量计，如热式、差压式、电磁式和超声波式流量计，虽然能够提供精确的测量结果，但通常需要外部电源和专用仪器，其外形尺寸及安装要求限制了其在低成本、快速部署或一次性流体系统中的应用[2]、[7]、[8]、[9]、[10]。相比之下，基于可重构管道和卡盒的系统则具有优势，因为它们可使用无需外部电源且无需复杂安装流程的非侵入式夹式传感器[11]、[12]。在这种背景下，摩擦电纳米发电机作为一种非侵入式替代方案逐渐崭露头角，它能够将流体与固体的相互作用直接转化为电信号，同时还能将电极安装在绝缘管的外部，而不会干扰流体流动路径[13]、[14]、[15]。
然而，现实中的管道流动并非单相稳定流，而是以液滴、液塞或团块等形式反复出现的气液分段（两相）流，这些流动会形成移动的界面[16]、[17]、[18]。这类流动在工业流体处理中十分常见，比如石油和天然气的开采与输送、炼油及化工生产流程，以及其他多相管道系统中，它们往往会带来操作上的难题，因此需要强大的监测解决方案[19]、[20]、[21]。由于TENG信号源于界面电荷转移和静电感应，当界面经过外部电极时，分段流动会产生不同的电信号变化，这使得基于TENG的传感器特别适合用于界面检测[13]、[22]、[23]。
尽管TENG结构具有多种应用潜力，但大多数基于TENG的流量计仍主要以电压幅值作为主要检测参数[13]、[14]、[24]、[25]、[26]。电压幅值会受到流量大小以及管道的介电特性、表面状况和流体性质等因素的影响[27]、[28]、[29]、[30]。因此，即便在相同的流动条件下，不同管道和流体组合产生的幅值也可能存在很大差异，这就需要针对具体情况进行校准，而这反而降低了可重构系统的稳定性[31]、[32]、[33]。在两相分段流动中，这种情况更为严重，因为仅凭幅值很难区分流动状态和流体性质的变化。这些问题凸显出对自供电且非接触式监测方案的迫切需求。
本研究提出了一种双电极飞行时间（DE-TOF）TENG方案，该方案将检测重点从电压幅值转变为分段气液传输的传输时间。在该方案中，两个外部TENG电极以已知间距D布置在同一根管道上。当液滴、液塞或团块依次通过时，即可测量出两个稳定时间节点之间的延迟Δt。通过这一延迟值，就可以得知相应的分段速度以及在已知管道几何结构下的流量。由于该方案基于时间域进行检测，因此能够有效避免因管道和流体特性导致的幅值波动，从而即使在更换不同管道或流体时也能保持稳定的测量性能。此外，电压幅值信号还被用作辅助通道，用于识别管道变化、流体种类及其成分，从而实现双模式传感。这种双模式传感策略既可通过飞行时间测量实现精准的流量监测，又能通过幅值分析了解流体状态和类型。该DE-TOF TENG流量计经过了系统设计、制造，并在多种电极间距、管道材质和流体类型下与光学参考标准进行了对比测试。此外，还通过实时切换实验进一步评估了该流量计的性能，包括在保持基于飞行时间测量的同时，区分同一管道中不同性质的流体段。同时，还利用解耦后的幅值特征构建了基于卷积神经网络的流体状态分类器，而速度/流量则通过飞行时间测量得到。这些实验结果表明，这种方案有望为可重构管道、一次性卡盒以及类似管道的系统提供一种可扩展、夹式、非侵入式且自供电的监测解决方案。
章节摘要
器件制作
DE-TOF TENG流量计是通过3D打印的聚乳酸夹具制成的，该夹具可将两个铜带电极牢固地固定在绝缘管的外表面。每个电极的轴向长度（即沿流动方向的长度）为10毫米。上下两个电极的中心间距设置为80毫米，这样的间距可以避免在单通道数据采集过程中两个电极响应出现时间重叠。若间距过小（≤60毫米）
结果与讨论
如图1所示，所提出的DE-TOF TENG方案可通过非侵入式外部模块实现实用的可重构分段流动监测。每当有液塞通过时，两个外部安装的电极就会产生连续的信号变化。这种设计无需进行幅值校准，只需通过飞行时间ΔT12即可确定流量，而与流体相关的状态信息则可以通过电压波形获取（见图1a）。由于该方案将流量检测与
结论
本研究开发了一种DE-TOF TENG流量传感器，它通过测量两个外部安装电极之间由界面变化引发的信号传输延迟，来估算分段液体团的传输速度。该方案采用峰值到达时间作为检测指标，将主要观测参数从电压幅值转变为传输时间，从而无需进行幅值校准即可实现流量估算，同时还能有效消除因管道和流体特性导致的幅值波动
资金来源
本研究得到了韩国政府下属的韩国国家研究基金会（NRF，由科技信息通信部资助）[项目编号RS-2025-00518047]以及韩国政府科技信息通信部的支持[项目编号RS-2025-25445840]。
作者贡献
本稿是所有作者共同撰写的，所有作者均已同意最终版本的内容。
CRediT作者贡献说明
李尚民：论文撰写——审稿与编辑，论文撰写——初稿，研究指导，概念构思。孔惠成：论文撰写——初稿，数据可视化，实验研究，数据整理。元东俊：论文撰写——初稿，实验研究，数据整理，概念构思。金成贤：论文撰写——审稿与编辑，论文撰写——初稿，正式分析，概念构思。
利益冲突声明
作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
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补充信息
包括实验装置照片、电极间距数据、原始波形、光学验证结果、幅值与飞行时间对比数据、可控的液塞形态数据、Tygon管相关的CNN验证结果、峰值节点极性对比数据、重复操作稳定性测试数据、针对不同应用场景的对比表格、实验条件以及关于电压幅值的理论说明。（文档格式为DOCX）。
金成贤分别于2015年和2022年在浦项科技大学获得机械工程专业的学士和博士学位。他目前是庆尚国立大学电气工程系的助理教授，研究方向包括低功耗系统及半导体设备。
