CN110146010A - 一种自驱动的高精度角度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种自驱动的高精度角度测量系统及方法，所述系统包括角度传感器件、多通道同步数据采集模块以及微处理器模块，在摩擦起电效应的基础上利用摩擦纳米发电机将旋转运动直接转换为交流电信号输出，输出信号展现了理想的信噪比，通过对产生的交流电信号的分析可以对旋转角度以及旋转方向实现实时精准测量，整个系统结构简单紧凑，便于与多种设备的转轴部分整合，自驱动式工作方式，应用范围广。

Description

一种自驱动的高精度角度测量系统及方法

技术领域

本发明实施例涉及纳米新能源和自驱动传感技术领域，具体涉及一种自驱动的高精度角度测量系统及方法。

背景技术

现有的角度测量器件中，基本工作原理主要可以分为光电式、电磁式与惯性测量单元式。但是这些角度测量方式不能直接将角度数据转换为电信号输出，导致存在误差的传递与放大，同时这些传感器件往往需要复杂的信号放大电路来实现可靠的角度测量，限制了器件的小型化与便携性，并且上述角度传感器件工作时均需外界对其进行供能，不能适应机器人领域的发展与物联网时代的需求。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种自驱动的高精度角度测量系统，以解决现有的角度测量器件测量误差大、电路复杂、需要外界供电的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提出了一种自驱动的高精度角度测量系统，所述系统包括：

角度传感器件，用于通过至少两组摩擦纳米发电机利用待测旋转件的旋转驱动形成摩擦分别产生交流电信号，所述摩擦纳米发电机产生的交流电信号之间存在相位差；

多通道同步数据采集模块，用于对所述交流电信号进行同步采集，并传输至微处理器模块进行处理和计算；

微处理器模块，用于根据所述交流电信号的特征点计算待测旋转件的旋转角度和旋转角速度，以及根据所述交流电信号之间的相位差判断待测旋转件的旋转方向。

进一步地，所述角度传感器件包括同轴设置的转子和定子，所述转子随待测旋转件同步旋转，所述定子固定设置。

进一步地，所述转子包括第一基底，所述摩擦纳米发电机包括由多个自由端式电极构成的摩擦电极阵列，所述摩擦电极阵列设置在所述第一基底上，多个所述自由端式电极绕中心轴线呈圆周阵列排布，不同组摩擦纳米发电机的摩擦电极阵列在所述第一基底上同心错位排布并随转子同步旋转。

进一步地，所述定子包括第二基底，所述定子上固定设置有摩擦层，所述摩擦层与所述摩擦电极阵列物理接触并能通过摩擦产生电性相反的摩擦电荷；

所述摩擦层底面设置有至少两组分别由多个感应电极构成的感应电极阵列，多个所述感应电极绕中心轴线呈圆周阵列排布，每组摩擦电极阵列与一组感应电极阵列对应，多组所述感应电极阵列同心排布，每个自由端式电极对应两个相邻的感应电极，当所述摩擦电极阵列相对于摩擦层发生相对旋转时，与所述自由端式电极对应的两个相邻的感应电极上产生变化的感应电荷，通过导线将两个感应电极之间的电势差引出并通过多通道同步数据采集模块进行采集。

进一步地，所述系统还包括通讯模块，用于将获得的所述旋转角度、旋转角度以及旋转方向信息进行远程传输。

进一步地，所述系统还包括与所述通讯模块连接的移动终端；

所述移动终端用于接收所述旋转角度、旋转角度以及旋转方向信息进行显示，以及根据所述信息生成待测旋转件的旋转状态监测动画。

进一步地，所述交流电信号的特征点包括波峰、波谷以及相邻波峰与波谷之间的中间点。

进一步地，所述自由端式电极和感应电极均为金属铜电极，所述摩擦层为聚酰亚胺薄膜层，所述聚酰亚胺薄膜层的摩擦表面上经蚀刻形成纳米棒形貌。

进一步地，所述摩擦层的厚度为1-1000μm。

根据本发明实施例的第二方面，提出了一种自驱动的高精度角度测量方法，所述方法包括：

通过至少两组摩擦纳米发电机利用待测旋转件的旋转驱动形成摩擦分别产生交流电信号，所述摩擦纳米发电机产生的交流电信号之间存在相位差；

对所述交流电信号进行同步采集，并传输至微处理器模块进行处理和计算；

根据所述交流电信号的特征点计算待测旋转件的旋转角度和旋转角速度，以及根据所述交流电信号之间的相位差判断待测旋转件的旋转方向。

本发明实施例具有如下优点：

本发明实施例提出的一种自驱动的高精度角度测量系统及方法，在摩擦起电效应的基础上利用摩擦纳米发电机将旋转运动直接转换为交流电信号输出，输出信号展现了理想的信噪比，通过对产生的交流电信号的分析可以对旋转角度以及旋转方向实现实时精准测量，整个系统结构简单紧凑，便于与多种设备的转轴部分整合，自驱动式工作方式，应用范围广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明实施例1提供的一种自驱动的高精度角度测量系统的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的一种自驱动的高精度角度测量系统角度传感器件的结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的一种自驱动的高精度角度测量系统TENGA在短路状态顺时针旋转时的工作原理示意图；

图4为本发明实施例1提供的一种自驱动的高精度角度测量系统TENGB在短路状态顺时针旋转时的工作原理示意图；

图5为本发明实施例2提供的一种自驱动的高精度角度测量方法的流程示意图。

图中：角度传感器件100、多通道同步数据采集模块200、微处理器模块300、通讯模块400、移动终端500、转子110、定子120、第一基底111、摩擦电极阵列112、自由端式电极1121、第二基底121、摩擦层122、感应电极阵列123、感应电极1231。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例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。

实施例1

如图1所示，本实施例提出了一种自驱动的高精度角度测量系统，该系统包括角度传感器件100、多通道同步数据采集模块200、微处理器模块300、通讯模块400和移动终端500。

本实施例利用金属铜与Kapton(聚酰亚胺)薄膜在摩擦过程中产生的摩擦电荷以及静电诱导电荷的空间位置变化实现对旋转运动的直接传感：两个相互接触的的平面在摩擦过程中会因它们得电子能力的不同而分别带上等量异号的摩擦电荷，当其中某平面相对于另一平面发生相对旋转时，摩擦电荷的空间位置也会相应改变，进而导致正负电极上由摩擦电荷感应出来的感生电荷的数量发生变化，最终产生交变的电信号。

角度传感器件100，用于通过至少两组摩擦纳米发电机利用待测旋转件的旋转驱动形成摩擦分别产生交流电信号，摩擦纳米发电机产生的交流电信号之间存在相位差。

进一步地，如图2所示，角度传感器件100包括同轴设置的转子110和定子120，转子110随待测旋转件同步旋转，定子120固定设置。

转子110包括第一基底111，摩擦纳米发电机包括由多个自由端式电极1121构成的摩擦电极阵列112，摩擦电极阵列112设置在第一基底111上，多个自由端式电极1121绕中心轴线呈圆周阵列排布，不同组摩擦纳米发电机的摩擦电极阵列112在第一基底111上同心错位排布并随转子110同步旋转。本实施例中，摩擦纳米发电机包括两组，分别表示为TENGA和TENGB，TENGA位于TENGB的外侧，第一基底111上设置有两组摩擦电极阵列112，每组摩擦电极阵列112中自由端式电极1121的圆心角均为α，但两组摩擦电极阵列112同心错位排布，两组摩擦电极阵列112之间存在角度差β。

定子120包括第二基底121，定子120上固定设置有摩擦层122，摩擦层122与摩擦电极阵列112物理接触并能通过摩擦产生电性相反的摩擦电荷，摩擦层122底面设置有至少两组分别由多个感应电极1231构成的感应电极阵列123，多个感应电极1231绕中心轴线呈圆周阵列排布，每组摩擦电极阵列112与一组感应电极阵列123对应，多组感应电极阵列123同心排布，每个自由端式电极1121对应两个相邻的感应电极1231，当摩擦电极阵列112相对于摩擦层122发生相对旋转时，与自由端式电极1121对应的两个相邻的感应电极1231上产生变化的感应电荷，通过导线将两个感应电极1231之间的电势差引出并通过多通道同步数据采集模块200进行采集。本实施例中，第二基底121上设置有两组感应电极阵列123，每组感应电极阵列123中感应电极1231的圆心角同样均为α，且两组感应电极阵列123之间不存在圆心角差，每组感应电极阵列123中相邻的两个感应电极1231之间的沟道的圆心角为γ。

本实施例中，自由端式电极1121和感应电极1231均为金属铜电极，金属铜电极采用厚度为50μm的铜箔，第一基底111和第二基底121均采用FR-4基底，自由端式电极1121采用的金属铜箔先后通过冷轧与层压工艺固定在第一基底111上，感应电极1231采用的金属铜箔同样先后通过冷轧与层压工艺固定在第二基底121上，摩擦层122为聚酰亚胺薄膜层，摩擦层122的厚度范围为1-1000μm，本实施例中，聚酰亚胺薄膜层的厚度优选为35μm，聚酰亚胺薄膜层的摩擦表面上经蚀刻形成纳米棒形貌。图2中各虚线框内突出显示的图像从上到下分别是转子的数字照片、Kapton膜上蚀刻纳米棒的扫描电子显微镜照片以及定子的光学图像。

如图3和图4分别为TENGA和TENGB在短路状态下顺时针旋转时的工作原理示意图，在旋转摩擦过程中，自由端式电极1121带正电荷，摩擦层122带负电荷，随着自由端式电极1121位置的改变，摩擦层122下方的两个感应电极1231产生的感应电荷也发生改变，两个感应电极1231之间的电势差呈现交变的电信号。这些交变电信号特征点(波峰、波谷以及相邻波峰与波谷之间的中间点)的出现只与表面带有摩擦电荷的自由端式电极1121的空间位置有关，因此通过这些特征点的出现与否进行统计便可对旋转角度进行直接传感。

多通道同步数据采集模块200，用于对交流电信号进行同步采集，并传输至微处理器模块300进行处理和计算。

当定子120与转子110发生相对旋转时，由摩擦起电效应而导致开路电压信号自产生，由多通道同步数据采集模块对两组摩擦纳米发电机产生的两组开路电压信号进行同步测量。测量到的多通道电压信号在经过50Hz的低通滤波处理后输出到烧录有定制程序的微处理器模块中。

微处理器模块300，用于根据交流电信号的特征点计算待测旋转件的旋转角度和旋转角速度，以及根据所述交流电信号之间的相位差判断待测旋转件的旋转方向。进一步地，交流电信号的特征点包括波峰、波谷以及相邻波峰与波谷之间的中间点。

旋转角度通过TENGA产生的开路电压信号中的特征点(波峰、波谷以及中间点)获得：在每两个相邻特征点之间的开路电压变化对应着旋转角度α，旋转角速度则可以通过用旋转角度α除以电压信号发生变化所需的时间跨度得到。

旋转方向的获得则需要通过比较TENGA和TENGB产生的电压信号之间的相位差才能得到：若TENGB电压信号的相位领先TENGA，则代表着顺时针旋转，反之则为逆时针旋转。相位差的范围为0.1°-180°。

微处理器模块在鉴相电路的基础上对两组输入电压信号的相位进行判别，并将顺时针旋转条件下的角度数据记为正值，逆时针的记为负值。得到旋转方向后，微处理器再通过特征点判断电路对TENGB产生的电压信号进行统计分析和计算得到旋转角度与旋转角速度的信息。

旋转方向、旋转角度以及旋转角速度等信息可被微处理器实时写入SD卡中存储，这样除非在两次旋转之间的间隔期间按下清零键，否则下次旋转的起始位置仍是上次旋转结束时的位置。

进一步地，该系统还包括通讯模块400，用于将获得的旋转角度、旋转角度以及旋转方向信息进行远程传输。本实施例中，通讯模块400采用低功耗蓝牙模块(4.0以上版本协议)。

进一步地，系统还包括与通讯模块400连接的移动终端500。移动终端500包括智能手机和平板电脑，移动终端500用于接收旋转角度、旋转角度以及旋转方向信息进行显示，以及根据信息生成待测旋转件的旋转状态监测动画，以直观地展示目前待测部件的旋转状态。

本实施例提供的一种自驱动的高精度角度测量系统，通过优化结构设计与材料选择，在摩擦起电效应的基础上将旋转运动直接转换为交流电信号输出，输出信号展现了理想的信噪比，整个系统结构简单紧凑，便于与多种设备的转轴部分整合，通过使用通讯模块与移动终端进行信息交互，可以对旋转角度实现实时精准测量与动画展示。

实施例2

与上述实施例1相对应的，本实施例提出了一种自驱动的高精度角度测量方法，如图5所示，该方法包括：

S500、通过至少两组摩擦纳米发电机利用待测旋转件的旋转驱动形成摩擦分别产生交流电信号，摩擦纳米发电机产生的交流电信号之间存在相位差。

S510、对产生的交流电信号进行同步采集，并传输至微处理器模块300进行处理和计算。

S520、根据交流电信号的特征点计算待测旋转件的旋转角度和旋转角速度，以及根据所述交流电信号之间的相位差判断待测旋转件的旋转方向。

本实施例提供的一种自驱动的高精度角度测量方法中各步骤所执行的具体内容均已在实施例1所提供的一种自驱动的高精度角度测量系统中做了详细说明，这里将不再赘述。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种自驱动的高精度角度测量系统，其特征在于，所述系统包括：

角度传感器件，用于通过至少两组摩擦纳米发电机利用待测旋转件的旋转驱动形成摩擦分别产生交流电信号，所述摩擦纳米发电机产生的交流电信号之间存在相位差；

多通道同步数据采集模块，用于对所述交流电信号进行同步采集，并传输至微处理器模块进行处理和计算；

微处理器模块，用于根据所述交流电信号的特征点计算待测旋转件的旋转角度和旋转角速度，以及根据所述交流电信号之间的相位差判断待测旋转件的旋转方向。

2.根据权利要求1所述的一种自驱动的高精度角度测量系统，其特征在于，所述角度传感器件包括同轴设置的转子和定子，所述转子随待测旋转件同步旋转，所述定子固定设置。

3.根据权利要求2所述的一种自驱动的高精度角度测量系统，其特征在于，所述转子包括第一基底，所述摩擦纳米发电机包括由多个自由端式电极构成的摩擦电极阵列，所述摩擦电极阵列设置在所述第一基底上，多个所述自由端式电极绕中心轴线呈圆周阵列排布，不同组摩擦纳米发电机的摩擦电极阵列在所述第一基底上同心错位排布并随转子同步旋转。

4.根据权利要求3所述的一种自驱动的高精度角度测量系统，其特征在于，所述定子包括第二基底，所述定子上固定设置有摩擦层，所述摩擦层与所述摩擦电极阵列物理接触并能通过摩擦产生电性相反的摩擦电荷；

所述摩擦层底面设置有至少两组分别由多个感应电极构成的感应电极阵列，多个所述感应电极绕中心轴线呈圆周阵列排布，每组摩擦电极阵列与一组感应电极阵列对应，多组所述感应电极阵列同心排布，每个自由端式电极对应两个相邻的感应电极，当所述摩擦电极阵列相对于摩擦层发生相对旋转时，与所述自由端式电极对应的两个相邻的感应电极上产生变化的感应电荷，通过导线将两个感应电极之间的电势差引出并通过多通道同步数据采集模块进行采集。

5.根据权利要求1所述的一种自驱动的高精度角度测量系统，其特征在于，所述系统还包括通讯模块，用于将获得的所述旋转角度、旋转角度以及旋转方向信息进行远程传输。

6.根据权利要求5所述的一种自驱动的高精度角度测量系统，其特征在于，所述系统还包括与所述通讯模块连接的移动终端；

所述移动终端用于接收所述旋转角度、旋转角度以及旋转方向信息进行显示，以及根据所述信息生成待测旋转件的旋转状态监测动画。

7.根据权利要求1所述的一种自驱动的高精度角度测量系统，其特征在于，所述交流电信号的特征点包括波峰、波谷以及相邻波峰与波谷之间的中间点。

8.根据权利要求4所述的一种自驱动的高精度角度测量系统，其特征在于，所述自由端式电极和感应电极均为金属铜电极，所述摩擦层为聚酰亚胺薄膜层，所述聚酰亚胺薄膜层的摩擦表面上经蚀刻形成纳米棒形貌。

9.根据权利要求8所述的一种自驱动的高精度角度测量系统，其特征在于，所述摩擦层的厚度为1-1000μm。

10.一种自驱动的高精度角度测量方法，其特征在于，所述方法包括：

通过至少两组摩擦纳米发电机利用待测旋转件的旋转驱动形成摩擦分别产生交流电信号，所述摩擦纳米发电机产生的交流电信号之间存在相位差；

对所述交流电信号进行同步采集，并传输至微处理器模块进行处理和计算；

根据所述交流电信号的特征点计算待测旋转件的旋转角度和旋转角速度，以及根据所述交流电信号之间的相位差判断待测旋转件的旋转方向。