CN108680201A - 一种基于摩擦纳米发电机的转速、角度测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种基于摩擦纳米发电机的转速、角度测量仪。在电机驱动下，电机主轴带动转子一起做旋转运动，并且转子与定子接触、摩擦、分离，此时摩擦发电机产生电信号；将电信号接入信号处理电路，再将处理过的电信号输入单片机计数端，由单片机对电信号进行计数，并通过按键控制两种不同的工作模式，即测速模式和测角度模式；最后，通过显示电路显示当前的转速或角度。

Description

一种基于摩擦纳米发电机的转速、角度测量仪

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种基于摩擦纳米发电机的转速、角度测量仪。

背景技术

转速测量仪是将旋转物体的转速转换为电量输出的传感器。转速测量仪属于间接式测量装置，可用机械、电气、磁、光和混合式等方法制造。按信号形式的不同，转速传感器可分为模拟式和数字式两种。转速传感器的种类较多，应用较广。传统的转速传感器由磁敏电阻作感应元件，核心部件是同样采用磁敏电阻作为检测，再经过信号处理电路降低噪声。当被测物体上带有凸起(或凹陷)的磁性或导磁材料，随着被测物体转动时，传感器输出与旋转频率相关的脉冲信号，达到测速的目的。普通的转速传感器都需要额外的电源供电，不能直接发送电信号给芯片进行处理，一方面限制了传感器的使用环境和范围，另一方面也增加了能源的消耗。

申请号为201420144278.1的中国实用新型专利公开了一种基于摩擦发电机的自驱动转速传感装置，但是该专利只解释了摩擦发电机，并未提及对输出的信号进行一系列的处理。

申请号为201420144278.1的中国实用新型专利的原理是通过产生的脉冲信号的大小来计算当前转速，存在一定的误差；而本专利的原理是每当产生脉冲信号时，就计数一次，即只需要判断有无脉冲信号，不需要分析脉冲信号的大小，减小了误差，提高了测量的精度。且申请号为201420144278.1的中国实用新型专利仅应用于汽车、火车车速测量，应用范围较小。本发明不仅可应用于汽车、普通电机等各种转轴的转速测量，还可以应用于旋转角度的测量，应用范围较广，能够适应于各种使用环境。

发明内容

本发明解决的技术问题是针对现有技术的缺陷，提出一种基于摩擦纳米发电机的转速、角度测量仪，其原理简单，性能优越，系统稳定，并且能实现自驱动，用以解决现有技术存在问题。

本发明专利提出一种基于静电摩擦原理的转速、角度测量装置，将摩擦纳米发电机安装在电机主轴上，由电机主轴带动摩擦发电机工作，并收集摩擦产生的电信号，然后将处理之后的电信号送入单片机计数端进行计数、处理并通过显示电路显示当前速度或者角度，能实现摩擦纳米发电机和转速、角度测量的结合。本发明专利对摩擦发电机输出的电量信号进行了处理，通过按键控制两种不同的工作模式，利用51单片机对处理过的电信号进行计数、处理以及显示，并对电源电路，信号处理电路，单片机电路，其中包括按键、计数、显示电路进行了详细的阐述。

本发明提供了一种基于摩擦纳米发电机的转速、角度测量仪，其中包括基于静电摩擦发电原理的信号发生结构，电源电路，信号处理电路，单片机电路，其中单片机电路包括按键、计数、显示电路。信号发生结构主要由外壳，电机，插片盘，插片杆，转子和定子构成。

本发明的系统总体结构图如图1所示，首先，在电机驱动下，电机主轴带动转子一起做旋转运动，并且转子与定子接触、摩擦、分离，此时摩擦发电机产生电信号；将电信号接入信号处理电路，再将处理过的电信号输入单片机计数端，由单片机对电信号进行计数，并通过按键控制两种不同的工作模式，即测速模式和测角度模式；最后，通过显示电路显示当前的转速或角度。

其中，本发明主体结构装配图如图2所示，信号发生结构主要由外壳，电机，插片盘，插片杆，转子(第一摩擦层)和定子(第二摩擦层)构成。外壳通过螺钉、螺母与电机相连，起固定支撑整个结构的作用。插片盘安装在电机主轴上，并通过键联接固定在轴上。转子通过弹性连接件安装在插片盘上，当电机主轴转动时，带动转子一起转动。四个插片杆角度均匀的安装在外壳的绝缘外筒壁上，并通过螺纹连接固定在外壳上。四个定子通过弹性连接件分别安装在四个插片杆上，其中四个定子和四个插片杆的规格、大小均分别相同。此处四个定子应该分别与转子实现空间上的对正对齐，即当主轴带动转子旋转的时候，可以实现定子与转子之间的接触、摩擦与分离，并且主轴每旋转一圈，所述转子分别与四个定子接触摩擦一次。通过套筒和端盖实现对转子的定位，保证定子与转子在空间上的对正对齐。所述定子为金属片，所述转子为高分子聚合物，保证在接触、摩擦、分离过程中能产生电信号，满足发电机的要求。转轴上的转子连接导线，导出作为第一电极；四个定子连接导线，共同导出作为第二电极。

第一电极以及第二电极导出并连接信号处理电路，由信号处理电路对输出的摩擦电信号进行处理，转化为方波信号。再将方波信号输入单片机计数端进行计数，由按键控制不同的工作模式，最后通过显示电路显示当前转速或者角度。

所述电源电路包括变压器、整流桥、电容以及稳压管，用以将220V的交流电转化为5V的直流电，给单片机和芯片供电。

由于摩擦纳米发电机输出的电信号为交流信号，且电流较小，电压较大，故需要通过处理，才能输入到单片机中。因此通过信号处理电路将交流信号转化为方波信号。

将处理过的电信号输入单片机的计数端，由单片机进行计数，并通过按键来控制当前工作模式，最后通过显示电路显示当前的转速或者角度。采用51单片机，单片机外围电路包括电源电路、复位电路以及外部晶振。显示电路采用四位数码管来显示当前的转速或者角度，其中数码管a-f的每个端口接有上拉电阻，来提高数码管的驱动能力。

附图说明

图1为基于摩擦纳米发电机的转速、角度测量仪的系统总体结构图。

图2为基于摩擦纳米发电机的转速、角度测量仪的主体结构装配图。

图3为基于摩擦纳米发电机的转速、角度测量仪的主视图。

图4为基于摩擦纳米发电机的转速、角度测量仪的左视图。

图5为基于摩擦纳米发电机的转速、角度测量仪的电源电路。

图6为基于摩擦纳米发电机的转速、角度测量仪的信号处理电路。

图7为基于摩擦纳米发电机的转速、角度测量仪的单片机控制电路，其中包括按键、计数、显示电路。

图中，1、外壳，2、电机，3、端盖，4、插片盘，5、电机主轴，6、套筒，7、插片杆，8、定子，9、转子。

具体实施方式

为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述的具体实施方式，并参照附图，对本发明做详细说明。

图1示出了本发明的系统总体结构图。首先，电机主轴转动，带动转子一起做旋转运动，并且转子与定子接触、摩擦、分离，此时摩擦纳米发电机产生电信号；然后将电信号通过导线接入信号处理电路，处理过的电信号再输入单片机的计数端，由单片机计数端对电信号进行计数，并通过按键控制当前的工作模式，最后，通过显示电路来显示当前的转速。

图2示出了本发明实施例中摩擦发电机的主体结构装配图。该结构包括：外壳1，电机2，端盖3，插片盘4，电机主轴5，套筒6，插片杆7，定子8(第一摩擦层)，转子9(第二摩擦层)。外壳1上打有螺钉孔，电机2通过螺钉、螺母连接固定在外壳1上，以保证整体结构的连接和固定。由于转子8安装在插片盘4上，而转子8与四个定子要实现空间上的对正对齐，故插片盘4在主轴上的安装需要考虑位置精度；通过端盖3与套筒6对插片盘4进行定位，保证插片盘4的位置精度，插片盘4与主轴之间通过键联接，防止主轴在旋转过程中插片盘4与主轴之间发生滑动而产生误差。四个插片杆角度均匀的安装在外壳1的绝缘外筒壁上，在绝缘外筒壁的相应位置攻出螺纹，四个插片杆与绝缘外筒壁通过螺纹、螺钉连接并固定。为防止转子9与各定子的表面损伤，转子9通过弹性连接件与插片盘4连接在一起，四个定子与插片杆之间也采用弹性体连接；同时，通过弹性连接件的安装、拆卸，可以实现转子9与各定子的安装、拆卸，使得转子9与各定子易于检修与更换。各定子与各插片杆7分别采用相同的规格、大小和制作流程，易于加工制作。转子9和各定子8实现空间位置上的对正对齐，当主轴带动转子9旋转时，转子9能与各定子8接触、摩擦和分离，产生电信号，并且主轴每旋转一圈，转子9分别与四个定子8接触摩擦一次。

本实施例中转子9(第二摩擦层)为PDMS膜，并以铝箔作为负载。由于铝箔具有良好的延展性，故拍打时产生的形变不会使其断裂。PDMS(聚二甲基硅氧烷)，其成本低，使用简单，具有良好的粘附性。将PDMS液体与固化剂按质量比10:1的比例混合，混合后的PDMS均匀的涂抹在铝箔表面，厚度为1mm，再放置于烘干台上加热30分钟，使得PDMS固化，形成抗磨损抗弯曲能力极强的复合材料。其中采用型号为SYLGARD 184SILICONE ELASTOMER的固化剂。定子(第二摩擦层)由铝箔制成。由此可以制备一面是高分子聚合物的摩擦片，另一面是金属片，以满足发电机的要求。转子9连接导线，导出作为第一电极；各定子连接导线，共同导出作为第二电极。导线在整体装置中的排布要注意整体性和适用性，避免不同导线相互缠绕。第一电极以及第二电极导出并连接信号处理电路。

当主轴转动时，带动转子9一起做旋转运动。在旋转过程中，转子9与定子8相互拍打，发生接触、分离。在接触与分离过程中，打破了金属与高分子聚合物本身的电荷平衡，从而形成了电势差，产生电子得失，进而形成了电信号。

所述电源电路包括变压器、整流桥、电容以及稳压管，由于单片机以及芯片需要5V的直流电供电，因此需要通过电源电路将220V的交流电转化为5V的直流电。故先通过变压器T1降压，再通过整流桥将交流电转化为直流电；由于变压之后的直流电压可能含有交流分量，所以要通过电容对其进行滤波处理，最后再通过7805稳压管得到稳定的5V电压。

所述信号处理电路由变压器T2和LM555CM芯片组成。由于摩擦纳米发电机输出的为交流信号，且电压较大，电流较小，而单片机只能检测0-5V左右的电压信号，故需要对摩擦发电机输出的电信号进行处理。其中第一电极以及第二电极输出的电信号分别与变压器T2的两端相连，将输出的电信号首先通过变压器T2将电压降低，然后通过LM555CM芯片，将交流信号转化为方波信号。

将处理得到的方波电信号输入到单片机的计数端(P3.4口)。通过按键模块来控制当前的工作模式，按键模块包括按键S1和按键S2；其中按键S1接到单片机的P3.2口，按键S2接到单片机的P3.3口。当按下按键S1时，系统处于测转速的模式，由于主轴每旋转一圈，转子8与四个定子7分别接触摩擦一次，摩擦发电机输出四次电信号，故每产生四个高电平，单片机进行计数一次，然后通过显示电路显示当前的转速；单片机每秒钟更新计数端的数据，故当前转速的单位为：r/s。当按下按键S2时，系统处于测角度的模式，首先将转子8归于初始位置，即转子8与定子7对正的位置，并定义此时角度大小为0；转子8开始转动，在与定子7接触、分离之后，又分别与其余三个定子接触、分离，由于四个定子角度均匀的安装在外壳1的绝缘外壁筒，故可以分别记录这四个位置的角度大小为0、90、180、270，并通过显示电路来显示当前的角度。由于转子旋转，产生周期性电信号，并且每四个电信号为一个周期，通过单片机控制，每产生四个高电平为一个周期，四个高电平依次分别对应角度大小为0、90、180、270，然后通过显示电路显示当前旋转的角度，且循环显示。由于本实施例只是给出了一个案例，所以只采用了四个定子，后期可以通过增加定子的数量来提高该测量仪的测量精度。

所述显示电路采用四位数码管，型号为HDSP-B03E，将数码管的K1、K2、K3、K4端口分别与单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3端口相连，来控制数码管的位选；数码管的a-f端口分别与单片机的P0.0-P0.6相连，来控制数码管的段选。其中单片机外围电路包括电源电路、复位电路以及外部晶振，数码管a-f的每个端口均接有上拉电阻，来提高数码管的驱动能力。

Claims (9)

1.一种基于摩擦纳米发电机的转速、角度测量仪，其特征在于，所述转速、角度测量仪包括基于静电摩擦发电原理的信号发生结构，电源电路，信号处理电路，单片机电路；其中单片机电路包括按键、计数、显示电路；信号发生结构主要由外壳，电机，插片盘，插片杆，转子和定子构成；外壳与电机相连，起固定支撑整个结构的作用；插片盘安装在电机主轴上，并通过键联接固定在电机主轴上；转子通过弹性连接件安装在插片盘上，当电机主轴转动时，带动转子一起转动；四个插片杆沿圆周方向角度均匀地安装在外壳的绝缘外筒壁上，并通过螺纹连接固定在外壳上；四个定子通过弹性连接件分别安装在四个插片杆上；四个定子分别与转子实现空间上的对正对齐，即当主轴带动转子旋转的时候，可以实现定子与转子之间的接触、摩擦与分离，并且主轴每旋转一圈，所述转子分别与四个定子接触摩擦一次；转轴上的转子连接导线，导出作为第一电极；四个定子连接导线，共同导出作为第二电极；第一电极以及第二电极导出并连接信号处理电路，由信号处理电路对输出的摩擦电信号进行处理，转化为方波信号；再将方波信号输入单片机计数端进行计数，由按键控制不同的工作模式，最后通过显示电路显示当前转速或者角度。

2.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的转速、角度测量仪，其特征在于，四个定子分别与转子实现空间上的对正对齐是通过套筒和端盖实现对转子的定位，保证定子与转子在空间上的对正对齐。

3.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的转速、角度测量仪，其特征在于，所述定子为金属片，所述转子为高分子聚合物；保证在接触、摩擦、分离过程中能产生电信号。

4.如权利要求3所述的一种基于摩擦纳米发电机的转速、角度测量仪，其特征在于，所述转子为以铝箔作为负载的聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜；所述定子由铝箔制成。

5.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的转速、角度测量仪，其特征在于，所述电源电路为单片机和芯片供电，将220V的交流电转化为5V的直流电；电源电路包括变压器、整流桥、电容以及稳压管；先通过变压器T1降压，再通过整流桥将交流电转化为直流电；由于变压之后的直流电压可能含有交流分量，通过电容对其进行滤波处理，最后再通过7805稳压管得到稳定的5V电压。

6.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的转速、角度测量仪，其特征在于，所述信号处理电路由变压器T2和LM555CM芯片组成；第一电极以及第二电极输出的电信号分别与变压器T2的两端相连，将输出的电信号首先通过变压器T2将电压降低，然后通过LM555CM芯片，将交流信号转化为方波信号。

7.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的转速、角度测量仪，其特征在于，将处理得到的方波电信号输入到单片机的计数端P3.4口；通过按键模块来控制当前的工作模式，按键模块包括按键S1和按键S2；其中按键S1接到单片机的P3.2口，按键S2接到单片机的P3.3口；当按下按键S1时，系统处于测转速的模式，由于主轴每旋转一圈，转子与四个定子分别接触摩擦一次，摩擦发电机输出四次电信号，故每产生四个高电平，单片机进行计数一次，然后通过显示电路显示当前的转速；单片机每秒钟更新计数端的数据，故当前转速的单位为：r/s；当按下按键S2时，系统处于测角度的模式，首先将转子归于初始位置，即转子与定子对正的位置，并定义此时角度大小为0°；转子开始转动，在与定子接触、分离之后，又分别与其余三个定子接触、分离，由于四个定子角度均匀地安装在外壳的绝缘外壁筒，故可以分别记录这四个位置的角度大小为0°、90°、180°、270°，并通过显示电路来显示当前的角度；由于转子旋转，产生周期性电信号，并且每四个电信号为一个周期，通过单片机控制，每产生四个高电平为一个周期，四个高电平依次分别对应角度大小为0°、90°、180°、270°，然后通过显示电路显示当前旋转的角度，且循环显示。

8.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的转速、角度测量仪，其特征在于，所述显示电路采用四位数码管，型号为HDSP-B03E，将数码管的K1、K2、K3、K4端口分别与单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3端口相连，来控制数码管的位选；数码管的a-f端口分别与单片机的P0.0-P0.6相连，来控制数码管的段选；数码管a-f的每个端口均接有上拉电阻，来提高数码管的驱动能力。

9.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的转速、角度测量仪，其特征在于，通过增加定子的数量来提高该测量仪的测量精度。