CN107102190B - 一种基于Labview的摩擦发电测量系统及其分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于Labview的摩擦发电测量系统及其分析方法，属于电子测量技术领域。该系统包括摩擦发电装置、数据采集卡和上位机，Labview分析部分包括人机界面程序模块、采集控制与测量模块和模块滤波模块、波形分析模块和数据后处理模块。摩擦发电测量系统的分析方法包括以下步骤：将数据采集卡分别与摩擦发电装置和上位机进行连接；连接完成后，通过上位机选择数据采集卡占用的端口以及摩擦发电装置在数据采集卡上占用的采集通道；通过电机驱动模块，控制摩擦发电机产生周期性摩擦现象；上位机接收数据采集卡采集的摩擦电信号数据。该测量系统能够对被测摩擦发电器件的电压、电流等电学信息进行实时地检测和处理分析。

Description

一种基于Labview的摩擦发电测量系统及其分析方法

技术领域

本发明属于电子测量技术领域，尤其涉及一种基于Labview的摩擦发电测量系统及其分析方法。

背景技术

自2012年，王中林所在的纳米能源所的团队制备的第一个摩擦发电机以来，摩擦电发电机由于具有超高输出、成本低廉、可持续性和清洁环保等一系列优点，已经成为能源领域的研究热点。这种摩擦发电机主要利用摩擦起电及静电感应原理将机械能转化为电能，利用这一特点，人们可以将环境中存在的机械能转化为电能，继而为可穿戴器件、自供能传感器、植入式医疗器件等多种器件进行供电。

在整个科学研究和生产实践的过程中，常常需要对相关电信号进行测量与数据分析处理。而目前，国内普遍采用是国外进口的测试系统，这种测量设备不仅价格昂贵，无论硬件还是模块上都没有办法根据自己的需求加以改进。例如：每次测量只能针对一种电学参数性能进行测量，无法同时监测器件的多种电学参数的性能。此外，由于环境、温度等噪声因素的影响，测量数据本身存在一定的误差。

发明内容

本发明提供了一套基于Labview的摩擦发电测试系统及测试方法。该测量系统采用基于Labview开发的图形界面，对被测摩擦发电器件的电压、电流等电学信息进行实时地检测和处理分析，构成一个成本低廉、操作简单、抑制噪声、测量准确度和性能稳定的个性化的自动测量系统，具有实时显示、自动进行数据处理、数据存储等功能。

本发明技术方案：

一种基于Labview的摩擦发电测量系统包括硬件和Labview分析模块两部分；

所述的硬件部分包括摩擦发电装置、数据采集卡和上位机；

所述的摩擦发电装置进一步包括摩擦发电模块、电机驱动模块和干扰屏蔽模块；摩擦发电模块，用于将机械能转化为电能，其摩擦发电机种类可包括：接触-分离式、水平滑动式、单电极式、独立摩擦式等多种工作模式的多种结构的摩擦发电机；电机驱动模块与摩擦发电模块相连，用于驱动摩擦发电模块工作，通过调节电机驱动模块，改变摩擦发电模块的速率；干扰屏蔽模块，用于全面封闭被测摩擦发电模块，保证信号不受外接干扰。

所述的数据采集卡，用于采集摩擦发电装置产生的电信号，主要由arduino uno、线性调压分压板和数据线三部分组成，线型分压调压板接收由摩擦发电模块产生的电信号，并且将电信号进行分压调整到所需的电压幅度，调制后的电信号由数据线接入arduinouno，通过arduino uno将所接收的电信号经由数据线送入上位机进行分析处理；

所述的上位机，用于对电信号数据进行分析以及显示电信号数据和分析结果。

所述的Labview分析模块部分包括人机界面程序模块、采集控制与测量模块、滤波模块、波形分析模块和数据后处理模块；

所述的人机界面程序模块用于显示电压波形图、电流波形图、模块整流模拟图、实时功率波形图、频率预览图、时间日期显示窗口、输入端口选择窗口、零点校正窗口、当前电压值窗口、电压、电流净差窗口，其为由数据采集卡采集的经后端处理过的电信号；

所述的采集控制与测量模块基于Labview来读取arduino uno上模拟信号采集口的信号，并还原经由分压板缩小的信号；

所述的滤波模块基于Labview提供的滤波器，将电信号中的高频干扰信号滤去提高信号准确性，并且可以根据用户需求自选截止频率以及滤波阶数；

所述的波形分析模块采用单频测量来测量输入信号的频率，并且与人机界面程序模块连接，进而显示器工作时的工作频率。

所述的数据后处理模块将已进行过初步处理的信号进一步处理，整流以及电流换算后，通过人机界面程序模块进行显示。

基于Labview的摩擦发电测试系统的分析方法，步骤如下：

步骤1：将数据采集卡分别与摩擦发电装置和上位机进行连接；

步骤2：通过上位机选择数据采集卡占用的端口以及摩擦发电装置在数据采集卡上占用的采集通道；

步骤3：通过电机驱动模块，控制摩擦发电机产生周期性摩擦现象；

步骤4：上位机接收数据采集卡采集的摩擦电信号数据。

根据本发明的基于Labview的摩擦发电测试系统的分析方法，当摩擦发电机受到外部电机驱动后发生摩擦现象，产生的摩擦信号转换为电压/电流等模拟信号，通过处理短路与数据采集卡对信号进行采集和处理，将模拟信号转换为计算机可以处理的数字信号，通过Labview分析模块读取采集到的数据并加以整流以及电流换算后，将电压电流数据送入前端面板，连续显示被测设备的电压、电流、功率等电学波形信息。

本发明的有益效果：

(1)本发明的测量系统是基于LabVIEW平台开发的可视化图形界面，可以根据用户需要，对测量界面进行改进。操作简便、抑制噪声、使用灵活，并且大大降低对测量人员业务水平的要求。

(2)可以同时显示多种电学参数的性能，包括：电压随时间变化曲线、电流随时间变化曲线、实时功率随时间变化曲线。同时还具有实时显示、自动进行数据处理、数据存储等功能，节约时间和人力，提高测量工作效率。

(3)根据实际情况，可以通过滤波等方式来进一步降低环境、温度等噪声对采集到的信号所产生的影响。

(4)本发明通用性和模块性较强，可针对不同摩擦模型/不同结构的发电机进行电信号测量和处理。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的基于Labview的摩擦发电测试系统的结构框图。

图2是根据本发明一个实施例的基于Labview的摩擦发电测试系统的分析方法的流程图。

图3是本发明一个实例的Labview显示界面示意图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

实施例1：

一种基于Labview的摩擦发电测试系统主要由硬件和模块两部分组成。硬件部分由摩擦发电装置I、数据采集卡II和上位机III组成。Labview分析模块部分由人机界面程序模块、采集控制与测量模块和模块滤波模块、波形分析模块、数据后处理模块组成。

本实施例中摩擦发电装置模块包括：摩擦发电球模块、电机驱动模块、干扰屏蔽模块三部分组成。本实施例的摩擦发电模块采用一种基于独立摩擦结构的球形发电体。上述实施例1仅是示例性，其中基于球形摩擦发电体的选择仅作为举例，不是对本发明的方法的限定。还可以选择接触-分离式、水平滑动式、单电极式、独立摩擦式等多种工作模式的摩擦发电机。

所述的电机驱动模块，与摩擦发电模块相连。当电机驱动球形摩擦发电机旋转时，产生的摩擦发电现象，进而产生摩擦信号。通过调节电机驱动上的变阻器来调节供给直流电机的电压从而改变摩擦发电球的转速，直流电机与发电球体相连带动球体转动，接入发电球体内部的导电线与发电极片相连，通过空心滑环将产生的电信号引入下一个模块。

所述的干扰屏蔽模块由：1.全封闭屏蔽盒、2.BNC接头、3.纯铜75-5四屏蔽线、4.两孔铸铝按钮盒，四部分组成，整个发电模块由全封闭屏蔽盒封装，所有的信号传输由屏蔽线负责，arduino uno置于两孔铸铝按钮盒中，保证信号不受外接干扰。

所述的数据采集卡，用于采集摩擦发电装置产生的电信号，主要由：1.arduinouno、2.线性调压分压板、3.数据线，三部分组成，线型分压调压板接收由摩擦发电模块产生的电信号，并且将电信号进行分压调整到适当的电压幅度，调制后的信号由电线接入arduino uno，通过arduino uno将所接收的信号经由数据线送入上位机进行分析处理。

所述上位机，用于对所述电信号数据进行分析以及显示所述电信号数据和所述分析结果。

摩擦发电模块产生的电信号数值通过人机界面程序模块直观地看出，人机界面程序模块包括：1.电压波形图、2.电流波形图、3.模块整流模拟图、4.实时功率波形图、5.频率预览图、6.时间日期显示窗口、7.输入端口选择窗口、8.零点校正窗口、9.当前电压值窗口、10.电压、电流净差窗口，波形图与窗口显示由采集卡模块采集的经后端处理过的电信号。

采集控制与测量模块通过Labview图形化编程模块进行编程来读取arduino uno上模拟信号采集口的信号，并且通过模块还原经由分压板缩小的信号。

模块滤波模块通过Labview提供的滤波器将原信号中的高频干扰信号滤去提高信号准确性，并且可以根据用户需求自选截止频率以及滤波阶数。

波形分析模块采用单频测量来测量输入信号的频率，并且与前面板连接进而显示器件工作时的工作频率。

数据后处理模块将已进行过初步处理的信号进一步处理，通过模块整流以及电流换算后通过前端波形显示面板进行显示。

根据本发明一个实施例的基于Labview的摩擦发电测试系统分析方法的流程图。结合图2具体描述本发明实施例的基于Labview的摩擦发电测试系统分析方法的实现过程：将数据采集卡分别与摩擦发电装置和上位机进行连接；待连接完成后，通过上位机选择数据采集卡占用的端口以及摩擦发电装置在数据采集卡上占用的采集通道；上位机接收数据采集卡采集的电压数据；根据采样点的电压数据生成电压随时间的变化图。

步骤1：将数据采集卡分别与摩擦发电测装置和上位机进行连接。

具体地，将被检测装置，即球形摩擦发电机插入数据采集卡的接口，然后将数据采集卡的USB借口插入上位机中。本实施例中，数据采集卡采用arduino UNO R3，具有6个模拟信号采集引脚。

步骤2：步骤1连接完成后，通过上位机选择数据采集卡占用的端口以及摩擦发电装置在数据采集卡上占用的采集通道。

具体地，待连接成功之后，打开上位机中的资源管理器，找到数据采集卡占用的端口。接着，打开上位机中的Labview模块，选择数据采集卡占用的端口以及球形摩擦纳米发电机在数据采集卡上占的采集通道。

步骤3：打开驱动电机模块开关，让摩擦发电机球发生旋转，使其内部产生摩擦现象。

具体地，本实施例采用的是基于独立摩擦结构的球型摩擦发电机，但并不限于该种摩擦方式的发电机，同时也适用于对接触-分离式、滑动摩擦、单电极摩擦等多种摩擦结构的发电机的信号检测。

步骤4：上位机接收数据采集卡采集的由电压检测装置检测到的被测设备的电压数据。

具体地，上位机接收数据采集卡采集的由电压检测装置检测到的被测设备的电压数据后自动存储，并打开Labview模块读取这些电压数据；通过对电压数据进行滤波，并生成电压随时间的变化图，因此可以更加直观且清楚地读取被测设备的实时电压。特别地，还可以调整滤波的阶数以提高电压随时间的变化图以及电压变化速度曲线的信噪比，使得电压数据更加精确。另外，通过Labview模块的数据分析处理，还可以同步显示被测设备的电流随时间输出曲线、功率随时间变化曲线以及整流后电压/电流的输出曲线。上位机可以通过Labview模块记录并保存被测设备的所有电信号数据的历史数据，便于对被测设备进行进一步的性能分析。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种基于Labview的摩擦发电测量系统，其特征在于，所述的摩擦发电测量系统包括硬件和Labview分析模块两部分；

所述的硬件部分包括摩擦发电装置、数据采集卡和上位机；

所述的摩擦发电装置进一步包括摩擦发电模块、电机驱动模块和干扰屏蔽模块；摩擦发电模块，用于将机械能转化为电能，电机驱动模块与摩擦发电模块相连，用于驱动摩擦发电模块工作，通过调节电机驱动模块，改变摩擦发电模块的速率；干扰屏蔽模块，用于全面封闭被测摩擦发电模块，保证信号不受外接干扰；

所述的数据采集卡，用于采集摩擦发电装置产生的电信号，由arduino uno、线型分压调压板和数据线三部分组成，线型分压调压板接收由摩擦发电模块产生的电信号，并且将电信号进行分压调整到所需的电压幅度，调制后的电信号由数据线接入arduino uno，通过arduino uno将所接收的电信号经由数据线送入上位机进行分析处理；

所述的上位机，用于对电信号数据进行分析以及显示电信号数据和分析结果；

所述的Labview分析模块部分包括人机界面程序模块、采集控制与测量模块、滤波模块、波形分析模块和数据后处理模块；

所述的人机界面程序模块用于显示电压波形图、电流波形图、模块整流模拟图、实时功率波形图、频率预览图、时间日期显示窗口、输入端口选择窗口、零点校正窗口、当前电压值窗口、电压、电流净差窗口，其为由数据采集卡采集的经后端处理过的电信号；

所述的采集控制与测量模块基于Labview来读取arduino uno上模拟信号采集口的信号，并还原经由线型分压调压板缩小的信号；

所述的滤波模块基于Labview提供的滤波器，将电信号中的高频干扰信号滤去提高信号准确性，并且可以根据用户需求自选截止频率以及滤波阶数；

所述的波形分析模块采用单频测量来测量输入信号的频率，并且与人机界面程序模块连接，进而显示器件工作时的工作频率；

所述的数据后处理模块将已进行过初步处理的信号进一步处理，整流以及电流换算后，通过人机界面程序模块进行显示。

2.根据权利要求1所述的摩擦发电测量系统，其特征在于，所述的摩擦发电模块采用的摩擦发电机种类包括接触-分离式、水平滑动式、单电极式、独立摩擦式。

3.一种基于权利要求1所述的摩擦发电测量系统的分析方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1：将数据采集卡分别与摩擦发电装置和上位机进行连接；

步骤2：通过上位机选择数据采集卡占用的端口以及摩擦发电装置在数据采集卡上占用的采集通道；

步骤3：通过电机驱动模块，控制摩擦发电机产生周期性摩擦现象；

步骤4：上位机接收数据采集卡采集的摩擦电信号数据。

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