CN105203790B - 静电式速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可测量线性运动速度或旋转运动速度的多功能速度传感器，包括可以相互滑动的圆筒状第一部件和第二部件，第一部件的和第二部件的内外表面均为平行排列的条状电极与摩擦层相互交替形成的栅格式结构，同一部件的内表面和外表面的栅格结构相互错开半个周期。圆筒状第一部件的外表面和第二部件的内表面发生相对线性滑动或相对旋转滑动时，两个栅格结构相互滑动摩擦，条状电极与摩擦层相互交替摩擦，在表面产生摩擦静电。静电依附在栅格的摩擦材料上，在运动中周期性驱动电子往复于摩擦膜的两个表面上的栅格电极，从而产生交替的电信号输出。该电信号的周期反映出栅格的周期结构，从而可以用来测量相对运动的速度。

Description

静电式速度传感器

技术领域

本发明涉及传感器领域，特别涉及一种能自驱动的测量直线性运动或者旋转运动的速度传感器。

背景技术

随着电子技术的兴起和工业生产的要求，开发低能耗主动式运动传感器受到越来越多的关注。传统的运动传感器需要电能供给方能工作，例如机床控制，鼠标等等，使传感器的结构复杂，并且应用环境受到电能供给的限制。

发明内容

(一)要解决的技术问题

速度传感器是将机械运动与电信号耦合的电子器件。机械运动具有机械能，因此可以利用这一能量设计出不依赖于外界供电而自主发生信号的传感器。这将是一种低功耗的传感器。此外，直线性运动和旋转运动是自然界中最常见的两种运动，设计一种结构可以满足测量两种运动的传感器可以极大地节约成本。最后，设计出的传感器应该满足输出信号具有运动速度相关的信息，从而可以通过分析信号计算出速度值。

(二)技术方案

2012年以来，纳米摩擦发电机的发明使得机械能转化为电能的方法变得成本低廉而且极易实现。通过两种不同材料之间的接触摩擦，接触表面会带有静电。在摩擦面分离之前，等量异种电荷集中在微小的距离内，对外部空间不显电场。当带有静电的材料发生分离并做机械运动时，静电荷在空间的移动使空间产生交变电场。如果空间中有恰当安置的导体材料和回路，便可产生电流。摩擦材料可以是两种不同的高分子材料等绝缘体或半导体，亦可其中之一金属等导体。这种技术可以实现机械能转化为电能的发电机，亦可用于制作主动信号输出的机械运动传感器。

为了使输出信号包含传感器所测量的机械运动的速度信息，可以通过测量空间位移和测量时间跨度计算得到速度。在输出信号中融合进位移信息，可以通过将摩擦材料的表面设计成栅格状。两种摩擦材料在接触时栅格相互平行，当发生交替位错时，交替移动的静电荷分布会导致对应的栅格电极之间产生反复的电流，形成交流信号。交流信号的周期反映了栅格电极的周期和移动速度之间的关系。

本发明提供的静电式速度传感器，包括：

圆筒状第一部件，包括：第一摩擦件、在所述第一摩擦件的内外表面分别接触设置的第一电极层和第二电极层；

圆筒状第二部件，包括：第二摩擦件、所述第二摩擦件的内外表面分别接触设置的第三电极层和第四电极层；

所述第一部件与第二部件以第一部件的轴线为轴相互转动或者沿着轴向相互滑动时，所述第二部件的内表面与第一部件的外表面相互紧密接触；

其中，所述第一电极层、第二电极层、第三电极层和第四电极层均由平行等距排列并且形状相同的条形电极组成，相邻两个条形电极的距离与条形电极的宽度相同，所有所述条形电极的长度延伸方向与所在部件的轴线方向的夹角相同均为θ；所述第一电极层与第二电极层错开半个周期，所述第三电极层与第四电极层错开半个周期；

所述第一电极层与第四电极层中的所有条形电极电连接形成第一输出端，所述第二电极层与第三电极层中的所有条形电极电连接形成第二输出端；

所述第二部件的内表面与第一部件的外表面沿着轴向或者径向相对滑动，所述第一输出端与第二输出端之间输出与所述滑动速度相关的交流电信号。

输出电信号的灵敏度和测量范围由栅格式电极层中条形电极的宽度和条形电极的长度延伸方向与所在不就的轴线所呈角度θ有关。在栅格式电极层设计成垂θ为90°时，传感器只能检测线性运动；θ为0°时，只能检测旋转运动；θ为其他角度时，可以检测线性运动或者旋转运动。

通过对条形电极的长度延伸方向与所在部件的轴线方向的夹角θ的设计，可以实现在一个传感器上分别测量直线性运动和旋转运动的速度的功能。通过圆筒状第二部件包裹圆筒状第一部件的结构，可以实现第二部件沿第一部件轴向线性滑动或以第二部件的轴线相互转动的多种相对运动方式，为多功能速度传感器的设计提供了结构基础。

优选的，每个所述电极层中设置有总线，将同一电极层中的多个条形电极电连接。

优选的，所述第一摩擦件外表面和/或第二摩擦件的内表面的材料为绝缘体或者半导体。

优选的，所述第一摩擦件外表面的材料与第二摩擦件内表面的材料相同。

优选的，所述第二电极层的材料与第三电极层的材料相同。

优选的，所述第二电极层与第三电极层的厚度为10纳米至10微米。

优选的，所述条形电极的长度延伸方向与所在部件的轴线方向的夹角θ的范围为0°至90°。

优选的，所述条形电极的长度延伸方向与所在部件的轴线方向的夹角θ为0°、30°、45°、60°或90°。

优选的，还包括圆筒状或圆柱状的第一支撑体，所述第一部件的内表面紧密包裹第一支撑体的圆柱面。

优选的，还包括具有圆柱形开孔的第二支撑体上，所述第二部件的外表面紧密贴合在第二支撑体的开孔内侧面上。

优选的，所述第二支撑体为圆筒结构，由内层弹性缓冲材料和外层刚性材料分层构成。

优选的，所述的绝缘体材料为：聚四氟乙烯，聚二甲基硅氧烷，聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、再生纤维海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、酚醛树脂薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯；

所述半导体材料为：非导电性氧化物和复杂氧化物。

优选的，所述电极层中条形电极的宽度为100微米至1毫米。

优选的，所述电极层中条形电极的宽度为1毫米-10厘米。

优选的，所述第一摩擦件和第二摩擦件的厚度范围为25微米至1厘米。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明的静电式速度传感器具有下列优点：

传感器具有主动信号输出功能，输出信号包含速度信息。传感器自身的工作不需要外部电能供给(信号处理部分除外)，可以将机械能直接转化为电能。

通过对条形电极的长度延伸方向与所在部件的轴线方向的夹角θ的设计，传感器可以测量直线性运动或者旋转运动速度，具有多种功能。

本发明的传感器的制作材料选择范围广泛，制备方法简单，成本低廉。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明的静电式速度传感器的结构示意图；

图2为本发明实的静电式速度传感器中电极层的电连接示意图；

图3为本发明的静电式速度传感器在旋转运动模式下的结构示意图；

图4为本发明的静电式速度传感器在线性运动模式下的结构示意图；

图5为电极层中条形电极通过总线进行电连接的结构示意图；

图6和图7为一个具体静电式速度传感器在旋转马达驱动下测量旋转速度的电信号谱图和测量结果拟合曲线；

图8和图9分别为一个具体静电式速度传感器在线性马达驱动下测量正向和反向直线性速度测试结果和拟合曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。

近年来，人们研究出一种基于导体和绝缘体进行滑动摩擦产生电能的摩擦发电机，可以有效的将机械能转化为电能。这种技术，可以作为一种运动传感器，在工作时可以利用机械运动提供的能量进行工作并转化成有效的电学输出，实现将机械能特征与电能特征耦合的运动传感器，输出电信号可以很好的与机械运动的速度等信息相关联，可以取得含有速度信息的主动电信号。

本发明提供了一种可测量线性运动速度或旋转运动速度的多功能速度传感器。整体结构包括可以相互滑动的圆筒状第一部件和第二部件，第一部件的和第二部件的内外表面均为平行排列的条状电极与摩擦层相互交替形成的栅格式结构，同一部件的内表面和外表面的栅格结构相互错开半个周期。圆筒状第一部件的外表面和第二部件的内表面发生相对线性滑动或相对旋转滑动时，两个栅格结构相互滑动摩擦，条状电极与摩擦层相互交替摩擦，在表面产生摩擦静电。静电依附在栅格的摩擦材料上，在运动中周期性驱动电子往复于摩擦膜的两个表面上的栅格电极，从而产生交替的电信号输出。该电信号的周期反映出栅格的周期结构，从而可以用来测量相对运动的速度。信号灵敏度和测量范围由栅格的宽度和栅格与圆柱母线所呈角度有关。在栅格设计成垂直圆柱母线的时候，此传感器只能检测线性运动；平行母线的时候，只能检测旋转运动；在设计成其他角度的时候，可以检测线性运动或者旋转运动。

为使本发明的技术方案更清楚，下面结合附图详细介绍本发明的实施例。

实施例一：

参见图1，本实施例中的静电式速度传感器包括：圆筒状第一部件10和第二部件20，第二部件20的内表面与第一部件10的外表面的尺寸相匹配，当第一部件10与第二部件20以第一部件10的轴线C为轴相互转动或者沿着轴向相互滑动，使第二部件20的内表面与第一部件10的外表面相互紧密接触。其中，第一部件10包括：圆筒状第一摩擦件101、在第一摩擦件101的内外表面分别接触设置的第一电极层102和第二电极层103；第二部件20包括：圆筒状第二摩擦件201、在第二摩擦件201的内外表面分别接触设置的第三电极层202和第四电极层203。第一电极层102、第二电极层103、第三电极层202和第四电极层203均为栅格结构，所述栅格结构均由平行等距排列并且宽度相同的条形电极组成，相邻两个条形电极的距离与条形电极的宽度相同，所有所述条形电极的长度延伸方向与所在部件的轴线C方向的夹角相同均为θ；第一电极层102与第二电极层103错开半个周期、第三电极层202与第四电极层203错开半个周期。第一电极层102与第四电极层203中的所有条形电极电连接形成第一输出端，第二电极层103与第三电极层202中的所有条形电极电连接形成第二输出端。当第一部件10的外表面与第二部件20的内表面相对滑动，使第一摩擦件101与第三电极层202、第二摩擦件201与第二电极层103交替滑动摩擦，能够在第一输出端与第二输出端之间输出与所述滑动速度相关的交流电信号。

栅格式电极层的条形电极的长度延伸方向与第一部件10的轴线C的夹角θ的范围可以为0°至90°。条形电极的宽度范围可以为1mm-1cm

本实施例中，圆筒状第一部件10的外表面和第二部件20的内表面尺寸相匹配，使圆筒状第二部件20能够紧密包裹圆筒状第一部件10，当第一部件10与第二部件20以第一部件10的轴线C为轴相互转动或者沿着轴向相互滑动时，保证第一部件10外表面和第二部件20内表面相互紧密接触。由于四个电极层均为栅格结构，因此，第一部件10内表面为第一摩擦件和第一电极层交替排列的周期结构，第一部件10外表面为第一摩擦件和第二电极层交替排列的周期结构，并且第一部件内外表面的电极层的栅格错开半个周期；同样，第二部件20内表面为第二摩擦件和第三电极层交替排列的周期结构，第二部件20外表面为第二摩擦件和第四电极层交替排列的周期结构，并且第二部件内外表面的电极层的栅格错开半个周期。

参见图2，本实施例的静电式速度传感器中，第一电极层102与第四电极层203中的所有条形电极可以通过导线电连接形成第一输出端A1，第二电极层103与第三电极层202中的所有条形电极可以通过导线电连接形成第二输出端A2，在两个输出端A1和A2之间连接电信号测量和记录装置30，当第一部件10相对于第二部件20相互滑动时，第一摩擦件101外表面与第三电极层202、第二摩擦件201内表面与第二电极层103交替滑动摩擦，能够在第一输出端A1与第二输出端A2之间输出与所述滑动速度相关的交流电信号。

设定第一摩擦件101外表面与第二摩擦件201内表面的材料相同，第二电极层与第三电极层的材料相同，第一部件10的内表面与第二部件20的外表面相互接触时，由于电极层与摩擦件的材料不同，摩擦件表面带有负电荷，电极层表面带有正电荷，当第一部件10和第二部件20发生相对滑动运动时，栅格式第二和第三电极层与第一和第二摩擦件的材料相互摩擦，栅格电极与摩擦件材料的交错运动使得摩擦件材料的静电荷交替感应在两个部件内外表面的电极层上，使电子在输出端A1和A2发生往复运动，形成交流电信号。电信号周期反映了栅格在特定时间内错位的结构周期数量，从而反映了第一部件相对于第二部件的运动速度。为了接收电信号，输出端A1和输出端A2之间也可以由电阻相连，测量电阻两端的电压值曲线可以获得包含周期长度的电信号信息。

本实施例中，第一摩擦件101和第二摩擦件201可以为单层结构也可以为多层层结构，只需要满足第一摩擦件101的外表面的材料、第二摩擦件201内表面的材料与第二电极层103和第三电极层202的材料不同即可，优选的第一摩擦件101的外表面与第二摩擦件201的内表面材料相同。可以作为第一摩擦件101外表面和/或第二摩擦件201内表面的材料可以为绝缘体、非导电性氧化物或者复杂氧化物材料。绝缘体材料优选为高分子聚合物材料,此处列举一些常用的高分子聚合物材料：聚四氟乙烯，聚二甲基硅氧烷，聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、再生纤维海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、酚醛树脂薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯。半导体材料可以选择非导电性氧化物和复杂氧化物，例如锰、铬、铁、铜的氧化物，还包括氧化硅、氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、BiO₂和Y₂O₃等。

栅格式电极层的周期为，在第一部件与第二部件相对运动过程中，某个条状电极相对于前一条电极的位移量λ。产生的电信号周期长度T反映了第一部件外表面的第二电极层与第二部件内表面的第三电极层的条状电极从正对到错位再到正对的时间长度，相对运动的速度方向和第一部件轴线的夹角为γ，电信号的周期长度T与两个部件的相对运动速度ν之间的关系有下列公式(1)表达：

第一摩擦件101、第二摩擦件201的厚度对传感器的工作性能无明显影响，只对输出电信号的幅度有影响，本实施例中第一摩擦件与第二摩擦件的厚度范围可以为25微米至1厘米。

栅格式的四个电极层的材料可以为常用的金属包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒等。为了保证第一部件10与第二部件20在相互滑动时，第一部件的内表面与第二部件的外表面紧密接触，第二电极层103与第三电极层202的厚度应尽可能薄，优选的厚度范围为10纳米至10微米。栅格式电极层可以通过蒸镀或溅射等工艺沉积在摩擦件的材料上。

栅格式电极层中，电极层栅格图形的周期是本发明传感器进行速度传感的关键因素，根据传感器适用的测量或者传感范围，可以进行适应性的设计，对于速度较慢的运动的传感，环形电极的宽度较小，可以为100微米至1毫米；对于速度较快的运动的传感，环形电极的宽度较大，可以为1毫米-10厘米。

本发明提供的速度传感器中，可以通过设计栅格式电极层的结构，使传感器对于特定方向的运动速度进行传感。栅格式电极层的条形电极的长度延伸方向与所在部件的轴线方向的夹角θ为0°时，参见图3，第一部件11中，在第一摩擦件111的内外表面分别接触设置的第一电极层112和第二电极层113，以及在第二摩擦件211的内外表面分别接触设置的第三电极层212和第四电极层213均为栅格结构，所述栅格结构均由平行等距排列并且宽度相同的条形电极组成，相邻两个条形电极的距离与条形电极的宽度相同，所有所述条形电极的长度延伸方向与第一部件的轴线C相同。当第一部件11与第二部件21以第一部件11的轴线C为轴相互转动时(图3中箭头方向所示)，第一部件11的外表面与第二部件21的内表面发生相对滑动，使第一摩擦件111与第三电极层212、第二摩擦件211与第二电极层113交替滑动摩擦，能够在第一输出端与第二输出端之间输出与所述转动速度相关的交流电信号。对于第一部件11相对于第二部件21仅为沿着第一部件11的轴线C方向的相对滑动的情况，图3所示结构的速度传感器的两个输出端输出的信号与栅格式电极的周期无关。

栅格式电极层的条形电极的长度延伸方向与第一部件10的轴线C的夹角θ为0°、γ为0°时，代入公式(1)，第一部件与第二部件的相对转动速度ν_rotating为：

其中，R为第一部件21外表面的半径。

栅格式电极层中条形电极的长度延伸方向与第一部件10的轴线C的夹角θ为90°时，参见图4，第一部件12中，在第一摩擦件121的内外表面分别接触设置的第一电极层122和第二电极层123，以及在第二摩擦件221的内外表面分别接触设置的第三电极层222和第四电极层223均为栅格结构，所述栅格结构均由平行等距排列并且宽度相同的条形电极组成，相邻两个条形电极的距离与条形电极的宽度相同，所有所述条形电极的长度延伸方向与所在部件的轴线C垂直。当第一部件12与第二部件22沿着第一部件12的轴线C方向相互滑动时(图4中箭头方向所示)，第一部件12的外表面与第二部件22的内表面发生相对滑动，使第一摩擦件121与第三电极层222、第二摩擦件221与第二电极层123交替滑动摩擦，能够在第一输出端与第二输出端之间输出与所述滑动速度相关的交流电信号。对于当第一部件12与第二部件22以第一部件12的轴线C为轴相互转动时的情况，图4所示结构的速度传感器的两个输出端输出的信号与栅格式电极的周期无关。

图4所示结构的速度传感器中，栅格式电极层的条形电极的长度延伸方向与第一部件10的轴线C的夹角θ为90°、γ为90°时，代入公式(1)，第一部件与第二部件的相对滑动速度ν_sliding为：

本实施例中，相对运动的第一部件和第二部件的栅格式电极层中，栅格式电极层的所有条形电极的长度延伸方向与圆筒轴线的方向的夹角为90°，条形电极可以首尾连接形成图4中所示的闭合环形电极，在其他实施例中也可以为首尾未连接在一起的近似环状电极。

在其他实施例中，栅格式电极层的条形电极的长度延伸方向与第一部件的轴线的夹角θ可以为0°至90°之间，这样结构的速度传感器既可以用来传感第一部件与第二部件的相对滑动速度，也可以用来传感第一部件与第二部件的相对转动速度。特别的，θ可以为30°、45°或60°，相应的第一部件与第二部件的相对转动或者滑动速度可以通过公式(1)计算获得。

本实施例中的静电式速度传感器，无需为传感器连接其它电源，可以对第一部件与第二部件在第一部件的轴线方向的相对滑动或者转动的运动速度进行传感。

实施例二：

本发明提供的速度传感器，第一部件与第二部件中的四个栅格式电极层，每个电极层由多个条形电极组成，并且按照图2所示的连接方式进行电连接。同一电极层中，条形电极之间的电连接有多种方式，可以通过导线连接，也可以在电极层中设置总线，将同一电极层中的多个条形电极电连接。以图1中的第二电极层103为例，沿着第一部件外表面所在圆柱的一条母线将其展开，参见图5，两条总线104将第二电极层103中所有条形电极电连接在一起。根据电极层中条形电极与所在部件的轴线的夹角，可以设计一条或者多条总线，将一个电极层中的所有条形电极连接在一起。

另外，由于第一摩擦件和第二摩擦件的厚度对传感器的输出信号的幅度有影响，通常第一摩擦件和第二摩擦件的选择较薄的材料，为了使速度传感器的结构更加稳定，可以将第一部件设置在圆筒状或圆柱状的第一支撑体上，第一部件的内表面紧密包裹第一支撑体的圆柱面，使第一部件的机械强度增加。同样，也可以将第二部件设置在具有圆柱形开孔的第二支撑体上，第二部件的外表面紧密贴合在第二支撑体的开孔内侧面上，使第二部件的机械强度增加。

第一支撑体优选由轻质刚性材料构成，可以为有机玻璃材料、PE(聚乙烯，Polyethylene)板材或PVC(聚氯乙烯，Polyvinyl chloride polymer)板材等。第二支撑体优选为圆筒结构，由内层弹性缓冲材料和外层刚性材料分层构成，其中弹性缓冲材料可以为海绵，硅胶等，刚性材料可以为有机玻璃材料，PE(聚乙烯，Polyethylene)板材或PVC(聚氯乙烯，Polyvinyl chloride polymer)板材等。

下面以一个实际速度传感器的制备过程和工作过程展示本发明传感器的结构和工作过程。

第一摩擦件和第二摩擦件的材料选择厚度为25微米的聚酰亚胺(Kapton)薄膜。选择1.5毫米厚度的有机玻璃板，利用激光切割机镂空刻出宽度为的栅格电极层的掩膜，覆盖在聚酰亚胺薄膜上。使用物理气相沉积的方法分别在两个聚酰亚胺表面沉积出厚度100纳米的条形铜电极。同样的方式对已蒸镀好一面的聚酰亚胺薄膜的背面进行蒸镀条形铜电极，满足栅格式电极层在聚酰亚胺薄膜正反表面上有半个周期的位错，获得传感器的两个部件。

在相同表面的栅格式电极层被一条跨越所有条形电极的总线相连，这条总线的制作可以在制作掩膜时一同制作，也可以在已做好的条形铜电极的聚酰亚胺薄膜表面做二次蒸镀。

通过调整掩膜的角度，可以制作出不同栅格角度的栅格电极，从而满足特定情况的速度测量需求。

半径为2.54厘米的PE材料的圆柱作为第一支撑体，内径为2.55厘米的PE材料的圆筒作为第二支撑体，一个正反两面制备有栅格式铜电极层的聚酰亚胺薄膜包裹在PE圆柱的表面上，另一个正反两面制备有栅格式铜电极层的聚酰亚胺薄膜贴附在PE圆筒的内表面上，使两个聚酰亚胺薄膜上的电极层的条形电极的长度延伸方向与所附着的圆柱或者圆筒的轴线的夹角为45°。将PE材料的圆筒套在PE材料的圆柱上，使两个制备有栅格式铜电极层的聚酰亚胺薄膜相互接触。通过导线将四个电极层按照图2的方式电连接，形成速度传感器，在第一输出端和第二输出端之间连接电信号测量装置可以进行输出电信号测量。

本发明的静电式速度传感器在进行速度传感时，可以通过固定第一部件，第二部件相对第一部件发生滑动，且第二部件连接待测的运动物体的方法进行待测物体运动速度的传感；或者固定第二部件，第一部件相对第二部件滑动，第一部件连接到待测物体的方法进行待测物体运动速度的传感。另外，也可以将两个部件分别固定于可以发生相对运动的两个物体上，对两个物体的相对运动速度进行传感。以图1中的传感器结构为例，使其切换直线性速度测量和转动速度测量之间不需改变结构。为了适应线性运动速度的传感，优选的第一部件的长度大于第二部件的长度，例如第一部件与第二部件的比例为10:1。

在实验过程中进行旋转速度测量，PE材料的圆柱两端分别插入两个轴承内侧表面，两个轴承和PE材料的圆筒均固定。PE材料的圆柱一端由正时皮带和旋转马达相连，马达以2:1的降速比带动PE材料的圆柱沿自身轴线旋转，使两个正反两面制备有栅格式铜电极层的聚酰亚胺薄膜的表面相互滑动摩擦。第一输出端和第二输出端之间使用10兆欧电阻进行连接，将电压测试设备(Keithley 6514静电计)的两端分别通过导线与第一输出端和第二输出端相连，在不同速度下测试其信号波形。测量信号如图6所示，可见信号周期与速度有明显对应相关性。对信号周期进行分析得到的速度测量值，其准确度由图7所示，传感器的测量误差不超过0.9％。

采用上述制备的传感器进行直线性速度测量，PE材料的圆柱一端固定在线性马达上，由线性马达提供往复式线性运动，圆筒外套固定不动。第一输出端和第二输出端之间使用10兆欧电阻进行连接。将电压测试设备(Keithley 6514静电计)的两端分别通过导线与第一输出端和第二输出端相连，在不同速度下测试其电信号波形。对正向、反向直线性运动的信号周期分别进行分析得到的速度测量值，其准确度由图7(正向)和图8(反向)所示，通过相关计算得到误差不超过0.5％。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (15)

1.一种静电式速度传感器，其特征在于，包括：

圆筒状第一部件，包括：第一摩擦件、在所述第一摩擦件的内外表面分别接触设置的第一电极层和第二电极层；

圆筒状第二部件，包括：第二摩擦件、所述第二摩擦件的内外表面分别接触设置的第三电极层和第四电极层；

所述第一部件与第二部件以第一部件的轴线为轴相互转动或者沿着轴向相互滑动时，所述第二部件的内表面与第一部件的外表面相互紧密接触；

其中，所述第一电极层、第二电极层、第三电极层和第四电极层均由平行等距排列并且形状相同的条形电极组成，相邻两个条形电极的距离与条形电极的宽度相同，所有所述条形电极的长度延伸方向与所在部件的轴线方向的夹角相同均为θ；所述第一电极层与第二电极层错开半个周期，所述第三电极层与第四电极层错开半个周期；

所述第一电极层与第四电极层中的所有条形电极电连接形成第一输出端，所述第二电极层与第三电极层中的所有条形电极电连接形成第二输出端；

所述第二部件的内表面与第一部件的外表面沿着轴向或者径向相对滑动，所述第一输出端与第二输出端之间输出与所述滑动速度相关的交流电信号。

2.根据权利要求1所述的速度传感器，其特征在于，每个所述电极层中设置有总线，将同一电极层中的多个条形电极电连接。

3.根据权利要求1所述的速度传感器，其特征在于，所述第一摩擦件外表面和/或第二摩擦件的内表面的材料为绝缘体或者半导体。

4.根据权利要求1所述的速度传感器，其特征在于，所述第一摩擦件外表面的材料与第二摩擦件内表面的材料相同。

5.根据权利要求4所述的速度传感器，其特征在于，所述第二电极层的材料与第三电极层的材料相同。

6.根据权利要求1-5任一项所述的速度传感器，其特征在于，所述第二电极层与第三电极层的厚度为10纳米至10微米。

7.根据权利要求6所述的速度传感器，其特征在于，所述条形电极的长度延伸方向与所在部件的轴线方向的夹角θ的范围为0°至90°。

8.根据权利要求6所述的速度传感器，其特征在于，所述条形电极的长度延伸方向与所在部件的轴线方向的夹角θ为0°、30°、45°、60°或90°。

9.根据权利要求6所述的速度传感器，其特征在于，还包括圆筒状或圆柱状的第一支撑体，所述第一部件的内表面紧密包裹第一支撑体的圆柱面。

10.根据权利要求6所述的速度传感器，其特征在于，还包括具有圆柱形开孔的第二支撑体，所述第二部件的外表面紧密贴合在第二支撑体的开孔内侧面上。

11.根据权利要求10所述的速度传感器，其特征在于，所述第二支撑体为圆筒结构，由内层弹性缓冲材料和外层刚性材料分层构成。

12.根据权利要求3所述的速度传感器，其特征在于，所述的绝缘体材料为：聚四氟乙烯，聚二甲基硅氧烷，聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、再生纤维海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、酚醛树脂薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯；

所述半导体材料为：非导电性氧化物或复杂氧化物。

13.根据权利要求6所述的速度传感器，其特征在于，所述电极层中条形电极的宽度为100微米至1毫米。

14.根据权利要求6所述的速度传感器，其特征在于，所述电极层中条形电极的宽度为1毫米-10厘米。

15.根据权利要求6所述的速度传感器，其特征在于，所述第一摩擦件和第二摩擦件的厚度范围为25微米至1厘米。