CN104713570B - 利用摩擦发电测量物体运动参数的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量物体运动参数的装置和方法，装置包括滑动件和至少两个固定件，固定件在一个指定的被测方向上排列并被固定，滑动件能够在被测方向上运动并分别与多个固定件产生滑动摩擦，被测物体固定在滑动件上，滑动件的摩擦层与固定件的摩擦层由具有不同摩擦电序的材料构成，滑动件与不同固定件之间产生的电信号的幅度不相等。所述方法为测量滑动件与所述固定件之间产生的电信号并根据该电信号获得所述被测物体的运动方向，再根据滑动件到达固定件的时间和固定件之间的距离测量被测物体的速度和加速度。本发明可实现白驱动的运动传感，原理简单，制作方便。

Description

利用摩擦发电测量物体运动参数的方法和装置
技术领域
本发明属于运动的测量技术领域，具体涉及利用摩擦发电来测量物体运动参数的方法和装置。
背景技术
排在摩擦电序中不同位置的两种材料，由于保持电子（电荷）的能力不同，相互摩擦时，会由于电荷的转移而分别带上正电和负电。基于此原理可制作摩擦纳米发电机，其采用纳米材料作为摩擦材料。根据摩擦面的接触方式不同，摩擦纳米发电机又被分为接触-分离式摩擦纳米发电机和滑动式摩擦纳米发电机。然而，现有的摩擦纳米发电机都是直接利用机械能通过摩擦转换的电能以对外部器件进行供电，对摩擦纳米发电机的输出电信号的变化不进行分析和应用。
现有的测量物体运动参数的设备常见的有GPS、测速雷达，无线基站定位等等，多基于陀螺仪，多普勒效应，电磁波的发射和接收等原理。但是它们需要外部供电，不能做到自驱动。另外现有的广泛应用的测量物体运动参数的设备多针对宏观上较大尺度，较少针对小尺度。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明所要解决的技术问题是现有的广泛应用的测量物体运动参数的设备多针对宏观上较大尺度，较少针对小尺度，需要外部供电，不能做到自驱动。
（二）技术方案
为解决上述技术问题，本发明的一个方面是提出一种测量物体在一维方向上运动参数的装置，包括一个滑动件、至少两个固定件，所述至少两个固定件在一个指定的被测方向上排列并被固定，所述滑动件（101）能够在所述被测方向上运动并分别与所述至少两个固定件产生滑动摩擦，所 述滑动件和所述至少两个固定件均包括摩擦层，所述滑动件的摩擦层与所述至少两个固定件的摩擦层由具有不同摩擦电序的材料构成；所述滑动件与所述至少两个固定件之间产生的电信号的幅度不相等。
根据本发明该方面的一种具体实施方式，所述各摩擦层的不作为滑动摩擦面的一面均连接有一个导电层；或者，所述滑动件、所述至少两个固定件中至少一个的摩擦层的材料为导电材料，由导电材料构成的摩擦层直接作为导电层，不连接其他导电层，并且所述滑动件与所述至少两个固定件之间产生的电信号是指所述滑动件的导电层与所述至少两个固定件之间的导电层之间产生的电信号。
根据本发明该方面的一种具体实施方式，所述至少两个固定件的摩擦层采用相同摩擦电序的材料，但是滑动摩擦面积不同；或者，所述至少两个固定件的摩擦层具有相同的滑动摩擦面积，但由不同摩擦电序的材料构成。
根据本发明该方面的一种具体实施方式，所述至少两个固定件的摩擦层采用相同摩擦电序的材料，所述滑动件、所述至少两个固定件均为矩形条，各矩形条具有相等的宽度，且各矩形条的长度方向垂直于指定的测量方向，并且，所述至少两个固定件的长度不同，所述滑动件的长度大于所述至少两个固定件中的任一个。
根据本发明该方面的一种具体实施方式，所述固定件多于两个，各固定件与所述滑动件的滑动摩擦面积或其摩擦层的摩擦电序在所述指定测量方向上不呈对称分布。
本发明的另一个方面是提出一种测量物体在一维方向上运动参数的方法，包括如下步骤：将被测物体固定在一个滑动件上；将至少两个固定件在一个指定的被测方向上排列并固定，所述滑动件能够在所述被测方向上运动并分别与所述至少两个固定件产生滑动摩擦，所述滑动件和所述至少两个固定件均包括摩擦层，所述滑动件的摩擦层与所述至少两个固定件的摩擦层由具有不同摩擦电序的材料构成；各固定件与所述滑动件的滑动摩擦面积或其摩擦层的摩擦电序在所述指定测量方向上不呈对称分布；测量所述滑动件与所述至少两个固定件之间产生的电信号，并根据该电信号获得所述被测物体的运动方向。
根据本发明该方面的一种具体实施方式，还包括：根据所述电信号获得所述滑动件滑动至所述至少两个固定件的时刻，结合所述至少两个固定件之间的间距，获得所述被测物体在所述被测方向上的速度。
根据本发明该方面的一种具体实施方式，所述固定件多于两个，所述方法还包括：根据所测量的滑动件在多个固定件之间的速度来计算所述被测物体的加速度。
本发明的另一个方面是提出一种测量物体在一维方向上运动参数的装置，其特征在于，包括一个滑动件和一个梳状固定件，所述滑动件呈现条状，所述梳状固定件包括一个平行于指定被测方向的侧边和从侧边垂直伸出的多个条状梳齿，所述滑动件和所述梳状固定件均包括摩擦层，所述滑动件的摩擦层与所述至梳状固定件的摩擦层由具有不同摩擦电序的材料构成；所述滑动件与所述梳状固定件之间产生的电信号的幅度不相等。
根据本发明该方面的一种具体实施方式，所述滑动件仅由一种导电材料构成，自身既充当摩擦层又充当导电层，所述梳状固定件从下至上由基板、导电层和摩擦层叠置而成。
根据本发明该方面的一种具体实施方式，所述多个梳齿的宽度相等，且其长度的分布在滑动方向上不对称。
根据本发明该方面的一种具体实施方式，所述摩擦层的材料为聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林。
本发明的另一个方面是提出一种测量物体在一维方向上运动参数的方法，包括如下步骤：将被测物体固定在一个滑动件上；使该滑动件在一个梳状固定件上滑动，所述滑动件仅由一种导电材料构成，自身既充当摩擦层又充当导电层，所述梳状固定件从下至上由基板、导电层和摩擦层叠置而成，并且，所述多个梳齿的宽度相等，且其长度的分布在滑动方向上不对称；测量所述滑动件与所述多个条状梳齿之间产生的电信号，并根据该电信号获得所述被测物体的运动方向。
根据本发明该方面的一种具体实施方式，还包括如下步骤：根据所述电信号获得所述滑动件滑动至所述多个梳齿的时刻，结合所述多个梳齿之间的间距，获得所述被测物体在所述被测方向上的速度。
根据本发明该方面的一种具体实施方式，还包括如下步骤：根据所测量的滑动件在多个梳齿之间的速度来计算所述被测物体的加速度。
本发明的另一个方面是提出一种测量物体在二维方向上运动参数的装置，其特征在于，包括一个正“十”字形的十字滑动件和一个正方形的固定件，所述十字滑动件由相互正交且中心对称的四条滑动臂构成，所述固定件包括依次层叠的基板、导电层和摩擦层，所述摩擦层由多个呈条状的摩擦条构成，各摩擦条分布于所述固定件的四个侧面；所述固定件的中部不具有所述摩擦条的位置开有格形的凹槽，所述格形包括纵横排列的多个单元格，所述滑动件的十字交叉位置设置有一个凸块，该凸块容纳于所述凹槽中，以至于所述滑动件能够在所述凹槽中沿着凹槽滑动，从而，使所述滑动件的四个滑动臂与所述摩擦层产生滑动摩擦，在该滑动件与所述导电层之间产生电信号，
所述滑动件的凸块在所述凹槽内平动时，所述滑动件运动范围始终能覆盖所述滑动条，当所述滑动件的所述凸块位于所述凹槽的各个单元格的顶点时，其不与任何摩擦条相接触，所述摩擦条的分布使得当所述滑动件沿着所述凹槽的单元格的边平动时所产生的电信号不同。
根据本发明该方面的一种具体实施方式，所述各摩擦条呈矩形，其长度方向垂直于所述固定件的侧边，其宽度则相等。
根据本发明该方面的一种具体实施方式，所述各摩擦条的长度为n个长度值中的一个，所述固定件各侧边的摩擦条的长度分布为左右相同，上下相同，其中n≥2。
根据本发明该方面的一种具体实施方式，所述格形为田字形，n=2，所述左右侧边上部、左右侧边下部、上下侧边左部、上下侧边右部的摩擦条组成四个小组，各个摩擦条组包括相同长短分布的两个小组，即左右两个小组或上下两个小组，不同摩擦条组的长短分布的正序和倒序均各不相同，分别对应不同的二进制值。
本发明的另一个方面是提出一种测量物体在二维方向上运动参数的方法，包括如下步骤：将被测物体固定在一个正“十”字形的十字滑动件上，所述滑动件由相互正交且中心对称的四条滑动臂构成；使所述滑动件在一个正方形的固定件上滑动，所述固定件包括依次层叠的基板、导电层和摩擦层，所述摩擦层由多个呈条状的摩擦条构成，各摩擦条分布于所述固定件的四个侧面；所述固定件的中部不具有所述摩擦条的位置开有格形的凹槽，所述格形包括纵横排列的多个单元格，所述滑动件的十字交叉位置设置有一个凸块，该凸块容纳于所述凹槽中，以至于所述滑动件的凸块能够在所述凹槽中沿着凹槽滑动，所述滑动件的凸块在所述凹槽内平动时，所述滑动件运动范围始终能覆盖所述滑动条，当所述滑动件的所述凸块位于所述凹槽的各个单元格的顶点时，其不与任何摩擦条相接触，所述摩擦条的分布使得当所述滑动件沿着所述凹槽的单元格的边平动时所产生的电信号不同；测量所述滑动件与所述摩擦层之间产生的电信号，并根据该电信号获得所述被测物体的二维运动方向。
根据本发明该方面的一种具体实施方式，还包括如下步骤：根据所述电信号获得所述滑动件滑动至所述多个摩擦条的时刻，结合所述摩擦条之间的间距，获得所述被测物体在所述被测方向上的速度。
根据本发明该方面的一种具体实施方式，还包括如下步骤：根据所测量的滑动件在多个摩擦条之间的速度来计算被测物体的加速度。
（三）有益效果
本发明提出的测量物体运动参数的方法和装置的原理是基于滑动摩擦纳米发电机，通过控制结构中每次参与摩擦的材料面积，使之具有一定规律的变化，由此指示运动的方向，因此本发明可实现自驱动的运动传感，包括位置、位移矢量、速度矢量、加速度矢量、运动路径等，原理简单，制作材料也较为常见。
附图说明
图1A～1E是本发明的摩擦发电的基本原理示意图；
图2A、图2B和图2C分别显示了摩擦发电时两个导电层的感应电荷、二者之间的电压和电流随时间的变化曲线；
图3A和图3B是本发明的第一实施例的结构示意图；
图4A和图4C分别显示了本发明第一实施例中滑动件从左侧向右侧滑动时产生的电压信号和电流信号，图4B和图4D分别显示了该实施倒爷中当滑动件101从右侧向左侧滑动时产生的电压信号和电流信号；
图5显示了本发明的第二实施例的结构示意图；
图6和图7是本发明的第三实施例的结构示意图，其中图6是主视图，图7是沿图6中的A-A’线的剖面示意图；
图8A和图8B分别显示了本发明第三实施例中产生二进制“0011”的电流波形和产生二进制“0101”的电压波形。
具体实施方式
摩擦发电装置至少包括两个能够相互滑动的滑动部件，每个滑动部件均包括摩擦层和导电层，摩擦层附着于导电层之上。两个部件的摩擦层相互对置并紧密接触，并能够在外力作用下相互滑动。两个摩擦层的材料具有不同的摩擦电序。当其中一个摩擦层为导电材料构成时，则该摩擦层可兼起到导电层的作用，此时可以省略相应的导电层。
在此，我们参照图1A～1E来描述本发明所利用的摩擦发电的基本原理。如图1A～1E所示，摩擦发电装置包括上下两个滑动部件，在此分别称为第一滑动部件和第二滑动部件。第一滑动部件包括第一摩擦层11和第一导电层12，第一摩擦层11在下方。第二滑动部件包括第二摩擦层21和第二导电层22，第二摩擦层21在上方。第一摩擦层11和第二摩擦层 21相互对置并紧密接触。其中，第一摩擦层11由第一摩擦材料构成，第二摩擦层12由第二摩擦材料构成。第一摩擦层11和第二摩擦层21具有不同的摩擦电序。
“摩擦电序”是指根据材料对电荷的吸引程度将其进行的排序，两种材料在相互摩擦的瞬间，在摩擦面上负电荷从摩擦电序中极性较正的材料表面转移至摩擦电序中极性较负的材料表面。迄今为止，还没有一种统一的理论能够完整的解释电荷转移的机制，一般认为，这种电荷转移和材料的表面功函数相关，通过电子或者离子在接触面上的转移而实现电荷转移。需要说明的是，摩擦电序只是一种基于经验的统计结果，即两种材料在该序列中相差越远，接触后所产生电荷的正负性和该序列相符合的几率就越大，而且实际的结果受到多种因素的影响，比如材料表面粗糙度、环境湿度和是否有相对摩擦等。在两种摩擦电序极性存在差异的材料在接触摩擦并分离后其表面所带有的电荷称为“接触电荷”，接触电荷只分布在材料的表面，分布最大深度不过约为10纳米。需要说明的是，接触电荷的符号是净电荷的符号，即在带有正接触电荷的材料表面的局部地区可能存在负电荷的聚集区域，但整个表面净电荷的符号为正。
如图1A至图1E所示，在有外力使位于上方的第一滑动部件相对于位于下方的第二滑动部件发生相对滑动时，在第一摩擦层11和第二摩擦层21之间产生滑动摩擦。由于第一摩擦层11的第一摩擦材料与第二摩擦层21的第二摩擦材料在摩擦电序中存在差异，引发表面电荷转移。
第一导电层12和第二导电层22之间有为了屏蔽由于分离错位的第一摩擦层11和第二摩擦层21中表面电荷所形成的电场，即第一导电层12和第二导电层22之间存在电势差，如图1B所示。在此电势差作用下，当第一导电层12和第二导电层22之间通过外电路连通时，电子从第一导电层12流到第二导电层22而产生外电流。
此过程持续到两摩擦层完全重合，重合时如图1C所示，两导电层之间没有电势差，从而无电子流动。
第一滑动部件在外力作用下继续运动，则两部件脱离重合状态。为了屏蔽由于分离错位的第一摩擦层11和第二摩擦层21中表面电荷所形成的 电场，电子从第二导电层22流到第一导电层12而产生外电流，如图1D和1E所示。
图2A、图2B和图2C分别显示了第一导电层12与第二导电层22上的感应电荷、二者之间的电压和电流随时间的变化曲线。如图2A所示，第一滑动部件与第二滑动部件重合面积不断增大的过程，电荷转移量逐渐增加，直至完全重合时达到最大值。之后，二者产生分离错位，电荷反向转移，Q-t曲线上表现为曲线的下降。V-t曲线如图2B所示，设两滑动部件完全错开时相对电势为0，第一滑动部件与第二滑动部件重合面积不断增大的过程，电荷转移量逐渐增加，相对电势逐渐增加，直至完全重合时达到最大值。之后，二者产生分离位错，电荷反向转移，相对电势减小，V-t曲线上表现为曲线的下降。I-t曲线如图2C所示，第一滑动部件与第二滑动部件重合面积不断增大的过程，电荷持续转移，直至完全重合时。完全重合时两导电层没有电势差从而无电子流动，I=0。之后，二者产生分离位错，电荷反向转移，I也反向。
可以从输出信号中获得每个信号周期的时间间隔，对应相应部件尺寸，可获得此过程中的速率。同时，由于部件的形状尺寸设计，可以产生对应于不同尺寸的信号输出。根据输出不同信号的前后顺序，可获得方向信息。根据多个信号周期中速率的计算，配合方向信息，可获得整个运动过程的运动参数（包括位移、速度、加速度等）。
本发明根据上述原理，根据摩擦发电装置的摩擦层的几何参数，以及其产生的电压或电流信号来获得第一滑动部件相对于第二滑动部件运动的方向、距离、速度和加速度等运动参数。由此，当将被测物体固定于第一滑动部件和第二滑动部件的其中之一时，就能够获得其相对于另一滑动部件的运动参数。
所述第一摩擦层11和第二摩擦层21的厚度对本发明的实施效果没有显著影响，各种厚度对本发明的技术方案都适用。但是，本发明优选的摩擦层为薄膜，厚度为100nm～1mm，优选1μm～500μm，更优选10μm～300μm，最优选50μm～100μm。
[实施例]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。
1.第一实施例
图3A和图3B是本发明的第一实施例的结构示意图。该实施例是一个用来测量物体在一维方向上运动参数的装置。如图3A和3B所示，该装置包括一个滑动件101、一个第一固定件201和一个第二固定件202。第一固定件201和第二固定件202在一个指定的被测方向上排列并被固定，设其间距为固定间距D。图中指定的被测方向为X方向。滑动件101能够在所述被测方向上运动并分别与第一固定件201和第二固定件202产生滑动摩擦。图3A和图3B分别示出的是滑动件101从左向右滑动和从右向左滑动的情形。
根据本发明，滑动件和固定件均包括摩擦层，滑动件101的摩擦层与固定件201、202的摩擦层由具有不同摩擦电序的材料构成。并且，各摩擦层的表面作为所述滑动件和固定件之间产生滑动摩擦的滑动摩擦面。各摩擦层的背面（即不作为滑动摩擦面的一面）均可具有一个导电层。当摩擦层的材料为导电材料时，该摩擦层可兼起导电层的作用，由此，可以省略相应的导电层。
根据本发明，当滑动件101在指定的被测方向上以相同的速率与第一固定件201和第二固定件202产生滑动摩擦时，滑动件101的导电层与第一固定件201的导电层之间产生的电信号幅度，与滑动件101的导电层与第二固定件202的导电层之间产生的电信号幅度不相等。如前所述，为了使所述电流信号不相等，可以使第一固定件201和第二固定件202的摩擦层采用相同摩擦电序的材料，但是使其滑动摩擦面积不同，也可以使第一固定件201和第二固定件202的摩擦层具有相同的滑动摩擦面积，但由不同摩擦电序的材料构成。
例如，在图3A和图3B所显示的第一实施例中，第一固定件201和第二固定件202的摩擦层采用相同摩擦电序的材料，滑动件101、第一固定件201和第二固定件202均为矩形条，各矩形条具有相等的宽度，但是长度可以不同，且各矩形条的长度方向垂直于指定的测量方向。当滑动件、第一固定件和第二固定件的长度分别为l1、l2、l3且满足l1≥l2>l3， 可以使滑动件在滑动过程中完全覆盖第一固定件201和第二固定件202，第一固定件201和第二固定件202与滑动件101产生滑动摩擦的摩擦面积即为第一固定件201和第二固定件202的表面积。因为第一固定件201和第二固定件202的摩擦层采用相同摩擦电序的材料，因此，滑动件101与第一固定件201、第二固定件202相互滑动时产生的电压和电流值均不同。
图4A和图4C分别显示了当滑动件101从左侧向右侧滑动时产生的电压信号和电流信号；图4B和图4D则分别显示了当滑动件101从右侧向左侧滑动时产生的电压信号和电流信号。从图中可以看出，滑动件从左向右和从右向左滑动所产生的电信号是不同的，因此，根据电信号的不同，可以获知滑动件101在X方向上的滑动方向。
如果我们设定从左至右为+X方向，则当电压表或电流表显示输出信号强度为递减趋势时，滑动件101运动方向为+x方向；电压表或电流表显示输出信号强度为递增趋势时，滑动件101运动方向为-X方向。
此外，根据测量电压或电流信号，还可以获得滑动件101滑动至两个固定件201和202的时刻，由此，根据两个固定件201、202之间的间距D，还可以测得滑动块在X方向的移动速度。即v=D/|t1-t2|，v为速度，t1和t2分别是两个上升沿信号与时间轴交点的横坐标。
以上描述了本发明的第一实施例，然而，根据本发明的其他实施方式，固定件的个数至少为两个，也可以不止两个。当固定件多于两个时，仍优选为各固定件等间距排列并固定在指定的测量方向上。同样，各固定件与滑动件的滑动摩擦面积或其摩擦层的摩擦电序在指定测量方向上不呈对称分布。也就是说，应保证当滑动件从左向右滑动和从右向左滑动时所产生的电压或电流信号的波形不相同，以便区分滑动的方向。当两个固定件时，其长度不同，当多个固定件时，其长度排布方式为非对称方式。
当装置包括多于两个固定件时，可以根据所测量的滑动件在多个固定件之间的速度来计算滑动件的加速度。
2.第二实施例
图5显示了本发明的第二实施例的结构示意图，该实施例也是用于测量一维运动方向和速度的装置。但是，该实施例与第一实施例不同的是，包括四个固定件，并且四个固定件通过侧边条而形成一个整体。
具体来说，该实施例的装置包括一个滑动件301和一个梳状固定件30，滑动件301呈现条状并位于上方，梳状固定件30位于下方，并且包括一个平行于指定被测方向的侧边和从侧边垂直伸出的四个条状梳齿。条状梳齿和滑动件301均呈矩形，并且其宽度相等，其长度方向垂直于指定的测量方向。滑动件301能够沿着指定测量方向在梳状固定件30上滑动。滑动件301和梳状固定件30的层状结构可以采用前述如图1A～1E所示的结构，从而能够在滑动过程中产生电压或电流信号。在图5所示的第二实施例中，滑动件301仅由一种导电材料构成，即其自身既充当摩擦层，又充当导电层。梳状固定件30从下至上由基板304、导电层303和摩擦层302叠置而成。
摩擦层302的材料与导电滑动件301的材料具有不同的摩擦电序，例如可以选择聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林。具有负极性摩擦电极序的材料优选为聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯和派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF4。
导电层303的材料可以只要具备能够导电的特性即可，可选自金属或导电氧化物，常用的金属包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以 及由上述金属形成的合金，更优选为金属薄膜，例如铝膜、金膜、铜膜等；常用的导电氧化物包括氧化铟锡ITO、离子掺杂型的半导体和导电有机物。导电层303最好与相应的摩擦层302的表面紧密接触，以保证电荷的传输效率。可以将摩擦层302和相应的导电层303通过导电胶带或导电浆体（如银浆）粘结在一起，或者在导电层303的外表面通过旋涂的方式制备摩擦层302，以实现二者的紧密接触。更为优选的方式是将导电层303的材料通过沉积的方式在相应摩擦层302的内表面形成薄膜，薄膜厚度可以为50nm～500μm，优选为100nm～500nm。具体的沉积方法可以为电子束蒸发、等离子体溅射、磁控溅射或蒸镀，优选为磁控溅射或等离子体溅射。
基板304的材料最好是刚性的，以提供较好的支撑和固定功能，可以用本领域常规绝缘有机板材，如聚甲基丙烯酸甲酯板（英文缩写PMMA）、聚乙烯板（英文缩写PE）、聚碳酸酯板（英文缩写PC）、聚氯乙烯板（英文缩写PVC）、环氧树脂板、玻璃纤维板等。
第二实施例中的各层材料也可以适用于本发明的其他实施例或其他的实施方式。
所述四个梳齿的宽度优选为相等，且长度的分布在滑动方向上不对称。如图5所示的示例中，各梳齿的长度从左至右至递减分布，例如其长度的比例可以是8:4:2:1依次递减。但应当理解的是，本发明不局限于此种长度分布。
在如图5所示的第二实施例中，当滑动件301滑过梳状固定件30时，会依次输出四组信号，如果信号强度依次递减，则运动方向为+X方向；如果信号强度依次递增，则运动方向为-X方向。通过四组信号以及梳齿之间的间距，可以得到4个间隔内的速率。根据这四组速率做速度-时间v-t曲线，可以判断整个过程的运动情况。如果速度v基本不变，则为匀速运动，平均值即为其匀速运动的速率。如果v与t呈线性关系，则为运动为加速直线运动，其斜率为加速度值。由此，便可以获得滑动件相对于梳状固定件的各项运动参数。
3.第三实施例
本发明的装置还可以推广到二维运动的测量上。下面通过参照图6和图7的第三实施例来加以说明。图6是主视图，图7是沿图6中的A-A’线的剖面示意图。
如图6和图7所示，第三实施例是用于测量二维运动参数的装置。该装置也包括一个固定件40和一个滑动件401。被测物体固定在滑动件上，所不同的是，该实施例的滑动件401是一个正“十”字形的十字滑动件401，而固定件40呈正方形。十字滑动件401也可以看作是由相互正交且中心对称的四条滑动臂构成。
该实施例的固定件的层状结构和各层的材料与第二实施例类似，即包括依次层叠的基板404、导电层403和摩擦层402。摩擦层402由多个呈条状的摩擦条构成，且各摩擦条仅分布于正方形固定件40的四个侧面。优选地，如图所示，摩擦条呈矩形长条，并且长度方向垂直于正方形固定件40的侧边。在固定件40的中部不具有摩擦条的位置开有“田”字形的凹槽405，即凹槽405从上部看呈“田”字形。相应的，在滑动件401的十字交叉位置设置有一个凸块406，该凸块406正好能够容纳于凹槽405中，以至于滑动件401能够在凹槽405中沿着凹槽滑动。
凹槽405可以形成于导电层403内，但也可能扩展到基板404中。
当滑动件401通过凸块406在凹槽405内的滑动而运动时，其四个滑动臂能够与固定件40的摩擦层402产生滑动摩擦，从而在滑动件401与导电层403之间产生电流或电压信号。滑动件401的四条滑动臂的长度应当保证当滑动件401在“田”字形凹槽405内平动时，其运动范围始终能覆盖其所在的侧边上的滑动条。例如，当十字滑动件运动到最下端时，其上方滑动条的最上端应高于摩擦条的最上端边缘。其他滑动条的情况类似。
为了能够区分滑动件401在沿田字形凹槽的运动方向，构成摩擦层402的摩擦条的长度分布应使得滑动件在沿田字形凹槽的不同运动路径和运动方向所产生的电流信号或电压信号不同。
作为一个示例，在该第三实施例中，每个侧面设多个摩擦条，每个摩擦条从侧边向内部垂直延伸而形成一个矩形的长条。各个摩擦条的宽度相等且等间隔排列。并且，摩擦条的位置使得到十字滑动件401运动到田字 形凹槽的四个顶点以及中心点时，十字滑动件401不与任何一个摩擦条接触。
并且，在该实施例中，各个摩擦条的长度或为第一长度，或为第二长度，第一长度和第二长度不同。设第一长度大于第二长度，则可称第一长度的摩擦条为长条，第二长度的摩擦条为短条。这样，摩擦条的排布简化为其长短的排布。由此，当滑动件401在摩擦条上滑动时，会产生两种不同的电信号波形。这两种不同的信号波形就可以分别对位一个二进制的位，例如，将长条产生的信号波形记为1，将短条产生的信号波形记为0。
由于限制于凹槽的方向，滑动件401只能在水平或竖直方向平动，因此，当其运动时，要么只有上下两个滑动臂与上下两个侧边的摩擦条之间的摩擦面积发生变化，要么有左右两个滑动臂与左右两个侧边的摩擦条之间的摩擦面积发生变化。因此，只要将上下侧边的摩擦条的长短排布设置成与左右侧边的摩擦条的长短排布不同，就可以区分滑动件是在水平方向上运动还是竖直方向上运动。进一步，为区分滑动条是在一个方向上是正向还是反向运动，各侧边的摩擦条在长短排布应设置成非对称的排布。
基于此，作为一种示例，在该实施例中，如图所示，每个侧边均有8个摩擦条，从侧边的边缘到侧边的中心位置均分布4个摩擦条，左、右两侧的摩擦条长短分布相同，上下两侧的摩擦条长短分布相同。为了区分滑动件的运动方向，将各摩擦条分为四组，即：左右侧边上部的摩擦条为一组、左右侧边下部的摩擦条为一组、上下侧边左部的摩擦条为一组、上下侧边右部的摩擦条为一组。各个摩擦条组包括相同长短分布的两个小组，即左右两个小组或上下两个小组，每小组包括4个摩擦条，不同摩擦条组的长短分布无论从正序、和倒序均不相同。
作为示例，将左右侧边的摩擦条长短分布设为“短长长长-短短长短”（从上至下，正序），即对应二进制“0111”、“0010”将上下侧边的摩擦条设为“短短长长-短长短长”（从右至右，正序），即对应二进制“0011”、“0101”。相应的，其倒序分别为“1110”、“0100”、“1100”、“1010”，即其无论正序和倒序对位的二进制均各不相同。
这样，滑动件的不同运动方向能够产生不同的电流或电压波形。例如，图8A和图8B分别显示了产生二进制“0011”的电流波形和产生二进制 “0101”的电压波形。通过将滑动件与摩擦在摩擦时产生的电信号转化为相应的二进制数字信号，就可以通过判断数字信号来判断滑动件的运动方向。
在该第三实施例中，滑动件401的运动矩离、速度和加速度的测量则与第一、二实施例相同，即根据所述电信号获得所述滑动件401滑动至所述多个摩擦条的时刻，结合所述摩擦条之间的间距，获得所述被测物体在所述被测方向上的速度。根据所测量的滑动件在多个摩擦条之间的速度来计算被测物体的加速度。
应当注意，本发明并不限于上述实施例中摩擦条的数目和长短分布，例如，对于田字形凹槽，各个侧边的摩擦条数目可以是6个、8个、10个等，各摩擦条的长度可以不止两种，例如可以具有第一、第二、第三长度，等等。当长度值的数量为n时，则其不同的长度分布对应于不同的n进值值。如前所述，只要保证左右侧边上部、左右侧边下部、上下侧边左部、上下侧边右部的摩擦条长短分布的正序和倒序均各不相同即可。
更进一步来说，本发明的凹槽也可不限于田字格，也可以是任意行列数的其他格形，例如九宫格。但是，应当注意的是，十字滑动件的交点部位（凸块）位于格形凹槽的各个单元格的顶点时，其不与任何摩擦条相接触；并且，当十字滑动件的交点部沿着格形凹槽的单元格的边平动时，不同的摩擦条分布使得产生的电流信号或电压信号不同。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (22)

1.一种测量物体在一维方向上运动参数的装置，包括一个滑动件(101)、至少两个固定件(201、202)，所述至少两个固定件(201、202)在一个指定的被测方向上排列并被固定，所述滑动件(101)能够在所述被测方向上运动并分别与所述至少两个固定件(201、202)产生滑动摩擦，其特征在于，
所述滑动件(101)和所述至少两个固定件(201、202)均包括摩擦层，所述滑动件(101)的摩擦层与所述至少两个固定件(201、202)的摩擦层由具有不同摩擦电序的材料构成；
所述滑动件(101)与所述至少两个固定件(201、202)之间产生的电信号的幅度不相等。
2.如权利要求1所述的测量物体在一维方向上运动参数的装置，其特征在于，各所述摩擦层的不作为滑动摩擦面的一面均连接有一个导电层；或者，所述滑动件(101)、所述至少两个固定件(201、202)中至少一个的摩擦层的材料为导电材料，由导电材料构成的摩擦层直接作为导电层，不连接其他导电层，并且
所述滑动件(101)与所述至少两个固定件(201、202)之间产生的电信号是指所述滑动件(101)的导电层与所述至少两个固定件(201、202)之间的导电层之间产生的电信号。
3.如权利要求2所述的测量物体在一维方向上运动参数的装置，其特征在于，所述至少两个固定件(201、202)的摩擦层采用相同摩擦电序的材料，但是滑动摩擦面积不同；或者，所述至少两个固定件(201、202)的摩擦层具有相同的滑动摩擦面积，但由不同摩擦电序的材料构成。
4.如权利要求3所述的测量物体在一维方向上运动参数的装置，其特征在于，所述至少两个固定件(201、202)的摩擦层采用相同摩擦电序的材料，所述滑动件(101)、所述至少两个固定件(201、202)均为矩形条，各矩形条具有相等的宽度，且各矩形条的长度方向垂直于指定的被测方向，并且，所述至少两个固定件(201、202)的长度不同，所述滑动件(101)的长度大于所述至少两个固定件中的任一个。
5.如权利要求3所述的测量物体在一维方向上运动参数的装置，其特征在于，所述固定件多于两个，各固定件与所述滑动件的滑动摩擦面积或其摩擦层的摩擦电序在指定的被测方向上不呈对称分布。
6.一种测量物体在一维方向上运动参数的方法，其特征在于，包括如下步骤：
将被测物体固定在一个滑动件(101)上；
将至少两个固定件(201、202)在一个指定的被测方向上排列并固定，所述滑动件(101)能够在所述被测方向上运动并分别与所述至少两个固定件(201、202)产生滑动摩擦，所述滑动件(101)和所述至少两个固定件(201、202)均包括摩擦层，所述滑动件(101)的摩擦层与所述至少两个固定件(201、202)的摩擦层由具有不同摩擦电序的材料构成；各固定件与所述滑动件的滑动摩擦面积或其摩擦层的摩擦电序在所述指定的被测方向上不呈对称分布；
测量所述滑动件(101)与所述至少两个固定件(201、202)之间产生的电信号，并根据该电信号获得所述被测物体的运动方向。
7.如权利要求6所述的测量物体在一维方向上运动参数的方法，其特征在于，还包括：
根据所述电信号获得所述滑动件(101)滑动至所述至少两个固定件(201、202)的时刻，结合所述至少两个固定件(201、202)之间的间距，获得所述被测物体在所述被测方向上的速度。
8.如权利要求7所述的测量物体在一维方向上运动参数的方法，其特征在于，所述固定件多于两个，所述方法还包括：根据所测量的滑动件在多个固定件之间的速度来计算所述被测物体的加速度。
9.一种测量物体在一维方向上运动参数的装置，其特征在于，包括一个滑动件(301)和一个梳状固定件(30)，所述滑动件(301)呈现条状，所述梳状固定件(30)包括一个平行于指定被测方向的侧边和从侧边垂直伸出的多个条状梳齿，
所述滑动件(301)和所述梳状固定件(30)均包括摩擦层，所述滑动件(301)的摩擦层与所述梳状固定件(30)的摩擦层由具有不同摩擦电序的材料构成；所述滑动件(301)与所述梳状固定件(30)之间产生的电信号的幅度不相等。
10.如权利要求9所述的测量物体在一维方向上运动参数的装置，其特征在于，所述滑动件(301)仅由一种导电材料构成，自身既充当摩擦层又充当导电层；所述梳状固定件(30)从下至上由基板(304)、导电层(303)和摩擦层(302)叠置而成。
11.如权利要求10所述的测量物体在一维方向上运动参数的装置，其特征在于，所述多个梳齿的宽度相等，且其长度的分布在滑动方向上不对称。
12.如权利要求9或10所述的测量物体在一维方向上运动参数的装置，其特征在于，所述摩擦层(302)的材料为聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或派瑞林。
13.一种测量物体在一维方向上运动参数的方法，其特征在于，包括如下步骤：
将被测物体固定在一个滑动件(101)上；
使该滑动件(101)在一个梳状固定件(30)上滑动，所述滑动件(301)仅由一种导电材料构成，自身既充当摩擦层又充当导电层，所述梳状固定件(30)从下至上由基板(304)、导电层(303)和摩擦层(302)叠置而成，并且，所述梳状固定件(30)包括一个平行于指定被测方向的侧边和从侧边垂直伸出的多个条状梳齿，所述多个条状梳齿的宽度相等，且其长度的分布在滑动方向上不对称；
测量所述滑动件(101)与所述多个条状梳齿之间产生的电信号，并根据该电信号获得所述被测物体的运动方向。
14.如权利要求13所述的测量物体在一维方向上运动参数的方法，其特征在于，还包括如下步骤：根据所述电信号获得所述滑动件(301)滑动至所述多个梳齿的时刻，结合所述多个梳齿之间的间距，获得所述被测物体在所述被测方向上的速度。
15.如权利要求14所述的测量物体在一维方向上运动参数的方法，其特征在于，还包括如下步骤：根据所测量的滑动件在多个梳齿之间的速度来计算所述被测物体的加速度。
16.一种测量物体在二维方向上运动参数的装置，其特征在于，包括一个正“十”字形的十字滑动件(401)和一个正方形的固定件(40)，所述十字滑动件(401)由相互正交且中心对称的四条滑动臂构成，所述固定件包括依次层叠的基板(404)、导电层(403)和摩擦层(402)，
所述摩擦层(402)由多个呈条状的摩擦条构成，各摩擦条分布于所述固定件(40)的四个侧面；
所述固定件(40)的中部不具有所述摩擦条的位置开有格形的凹槽(405)，所述格形包括纵横排列的多个单元格，
所述滑动件(401)的十字交叉位置设置有一个凸块(406)，该凸块(406)容纳于所述凹槽(405)中，以至于所述滑动件(401)能够在所述凹槽(405)中沿着凹槽滑动，从而，使所述滑动件(401)的四个滑动臂与所述摩擦层(402)产生滑动摩擦，在该滑动件(401)与所述导电层(403)之间产生电信号，
所述滑动件(401)的凸块(406)在所述凹槽(405)内平动时，所述滑动件(401)运动范围始终能覆盖所述滑动条，
当所述滑动件(401)的所述凸块(605)位于所述凹槽的各个单元格的顶点时，其不与任何摩擦条相接触，
所述摩擦条的分布使得当所述滑动件(401)沿着所述凹槽(405)的单元格的边平动时所产生的电信号不同。
17.如权利要求16所述的测量物体在二维方向上运动参数的装置，其特征在于，所述各摩擦条呈矩形，其长度方向垂直于所述固定件的侧边，其宽度则相等。
18.如权利要求17所述的测量物体在二维方向上运动参数的装置，其特征在于，所述各摩擦条的长度为n个长度值中的一个，所述固定件各侧边的摩擦条的长度分布为左右相同，上下相同，其中n≥2。
19.如权利要求18所述的测量物体在二维方向上运动参数的装置，其特征在于，所述格形为田字形，n＝2，所述左右侧边上部、左右侧边下部、上下侧边左部、上下侧边右部的摩擦条组成四个小组，各个摩擦条组包括相同长短分布的两个小组，即左右两个小组或上下两个小组，不同摩擦条组的长短分布的正序和倒序均各不相同，分别对应不同的二进制值。
20.一种测量物体在二维方向上运动参数的方法，其特征在于，包括如下步骤：
将被测物体固定在一个正“十”字形的十字滑动件(401)上，所述滑动件(401)由相互正交且中心对称的四条滑动臂构成；
使所述滑动件(401)在一个正方形的固定件(40)上滑动，所述固定件包括依次层叠的基板(404)、导电层(403)和摩擦层(402)，所述摩擦层(402)由多个呈条状的摩擦条构成，各摩擦条分布于所述固定件(40)的四个侧面；所述固定件(40)的中部不具有所述摩擦条的位置开有格形的凹槽(405)，所述格形包括纵横排列的多个单元格，所述滑动件(401)的十字交叉位置设置有一个凸块(406)，该凸块(406)容纳于所述凹槽(405)中，以至于所述滑动件(401)的凸块(406)能够在所述凹槽(405)中沿着凹槽滑动，所述滑动件(401)的凸块(406)在所述凹槽(405)内平动时，所述滑动件(401)运动范围始终能覆盖所述滑动条，当所述滑动件(401)的所述凸块(605)位于所述凹槽的各个单元格的顶点时，其不与任何摩擦条相接触，所述摩擦条的分布使得当所述滑动件(401)沿着所述凹槽(405)的单元格的边平动时所产生的电信号不同；
测量所述滑动件(101)与所述摩擦层(402)之间产生的电信号，并根据该电信号获得所述被测物体的二维运动方向。
21.如权利要求20所述的测量物体在二维方向上运动参数的方法，其特征在于，还包括如下步骤：根据所述电信号获得所述滑动件(401)滑动至所述多个摩擦条的时刻，结合所述摩擦条之间的间距，获得所述被测物体在所述被测方向上的速度。
22.如权利要求21所述的测量物体在二维方向上运动参数的方法，其特征在于，还包括如下步骤：根据所测量的滑动件在多个摩擦条之间的速度来计算被测物体的加速度。
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CN109257085A (zh) * 2018-03-30 2019-01-22 北京润科通用技术有限公司 人造卫星与飞行设备间多普勒频移的获得方法及装置

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