CN111948284A - 测试薄膜振动频率和流速关系的方法及装置 - Google Patents

测试薄膜振动频率和流速关系的方法及装置 Download PDF

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CN111948284A CN201910409374.1A CN201910409374A CN111948284A CN 111948284 A CN111948284 A CN 111948284A CN 201910409374 A CN201910409374 A CN 201910409374A CN 111948284 A CN111948284 A CN 111948284A
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Abstract

本发明公开了一种测试薄膜振动频率和流速关系的方法及装置。该方法根据摩擦发电原理，利用有限元分析方法和一次函数线性拟合方法来分析计算薄膜振动频率和流速的函数关系。该装置包括：气流供给模块、测试腔体、薄膜振动单元和信号处理分析模块。本发明提供的测试薄膜振动频率和流速关系的方法，简化了计算量，准确可靠；而本发明提供的测试薄膜振动频率和流速关系的装置，可实时测量振动频率和流速的关系，稳定性及可靠性高；同时该装置结构及制作工艺简单，成本低廉。

Description

测试薄膜振动频率和流速关系的方法及装置
技术领域
本发明涉及传感技术领域，尤其涉及一种测试薄膜振动频率和流速关系的方法及装置。
背景技术
众所周知，薄膜结构由于其造型适应性强，力学性能好，自重轻等特点被广泛应用于各个领域，这类结构对气流的作用非常敏感，当气流流速达到一定值时，薄膜结构可发生较明显的振动反应，薄膜在气流作用下的振动反应可应用于制作气流传感器、风力发电机等。
薄膜受气流作用发生振动时的振动频率较快，振幅较小，振动情况极难观测。目前，对振动频率和流速关系的观测和计算方法有：利用高速摄影仪拍摄记录，或利用流固耦合方法进行计算；利用高速摄影仪拍摄所需条件过高，造价昂贵，不易实现；而流固耦合计算方法多用于一维、二维模型的计算，其应用于三维薄膜的振动模型分析时，计算量大，误差较大。因此，现有技术中缺少一种计算简单、且稳定性及可靠性高的测试薄膜振动频率和流速关系的方法及装置。
发明内容
本发明的发明目的是针对现有技术的缺陷，提供一种计算简单、且稳定性及可靠性高的测试薄膜振动频率和流速关系的方法及装置。
根据本发明的一个方面，提供了一种测试薄膜振动频率和流速关系的方法，其包括以下步骤：
步骤S100，使m种气流流量Q的值为am的恒定气流以单位时间t流过测试腔体，振动薄膜在气流的带动下与至少一个电极相互接触摩擦，输出与m种气流流量Q分别对应的周期性的交流电信号集合D；
步骤S110，根据周期性的交流电信号集合D，利用摩擦发电原理，分析计算得到m种气流流量Q分别对应的振动频率f，并得到m种气流流量Q和与其对应的振动频率f组成的m组第一对应数值；
步骤S120，建立测试腔体的模型结构，设置N种气流流量Q的值为bn，利用有限元分析方法，分析计算得到气流流量Q与流速V的函数关系，其中，气流流量Q的值bn以等差递增的方式变化；
步骤S130，根据m种气流流量Q和与其对应的振动频率f的对应关系，以及气流流量Q与流速V的函数关系，分析计算得到流速V与振动频率f的函数关系；
其中，N≥2，m、n和N都为正整数。
可选地，步骤S110中的根据周期性的交流电信号集合D，利用摩擦发电原理，分析计算得到m种气流流量Q分别对应的振动频率f具体包括：
根据与m种气流流量Q分别对应的周期性的交流电信号集合D，分别分析计算单位时间t内m种气流流量Q所对应的周期性的交流电信号集合D中脉冲对的次数，将该次数作为m种气流流量Q分别对应的振动频率f。
可选地，步骤S120中的建立测试腔体的模型结构具体包括：
建立预设尺寸的气流流道，将振动薄膜设为平板刚体，并将振动薄膜设置于气流流道的内部。
可选地，步骤S100具体包括：
步骤S1001：预先设置m种气流流量Q的值为am的恒定气流，依次取值为a1、a2…am；
步骤S1002：使预先设置的m种气流流量Q依次取值为a1、a2…am的恒定气流分别流过测试腔体单位时间t，振动薄膜在气流的带动下与至少一个电极相互接触摩擦，输出与m种气流流量Q分别对应的周期性的交流电信号集合D，依次为D1、D2…Dm。
可选地，步骤S110具体包括：
步骤S1101：根据周期性的交流电信号集合D1、D2…Dm，分别分析计算单位时间t内m种气流流量Q所对应的周期性的交流电信号集合D1、D2…Dm中脉冲对的次数，将该次数作为m种气流流量Q分别对应的振动频率f，依次为f1、f2…fm；
步骤S1102：根据m种气流流量Q和与其对应的振动频率f的对应关系，得到m组第一对应数值，分别为(a1，f1)、(a2，f2)…(am，fm)。
可选地，步骤S120具体包括：
步骤S1201：建立测试腔体的模型结构；
步骤S1202：预设N种气流流量Q的值为bn，依次为b1、b2…bn；其中，气流流量Q的值以等差递增的方式变化；
步骤S1203：根据N种气流流量Q的值b1、b2…bn，利用有限元分析方法，分析计算得到与N种气流流量Q的值对应的流速V1，V2…Vn，并得到N组第二对应数值，分别为(V1，b1)、(V2，b2)…(Vn，bn)；
步骤S1204：根据N组第二对应数值，利用一次函数线性拟合方法，分析计算得到气流流量Q与流速V的函数关系式为：
V＝c1×Q+d1；或者，Q＝c2×V+d2；
其中，V为流速，Q为气流流量，c1、c2、d1和d2为常数。
可选地，步骤S130具体包括：
步骤S1301：将m组第一对应数值中的气流流量Q的值a1、a2…am分别代入步骤S1204中分析计算得到的气流流量Q与流速V的函数关系式，分析计算得到与第一对应数值中的气流流量Q的值a1、a2…am分别对应的m种流速V的值v1、v2…vm；
步骤S1302：根据m种气流流量Q和与其对应的振动频率f的对应关系，以及气流流量Q与流速V的函数关系，得到m组第三对应数值(v1，f1)、(v2，f2)…(vm，fm)；
步骤S1303：根据得到的m组第三对应数值(v1，f1)、(v2，f2)…(vm，fm)，利用一次函数线性拟合方法，分析计算得到流速V与振动频率f的函数关系式为：
V＝e1×f+g1；或者，f＝e2×V+g2；
其中，V为流速，f为振动频率，e1、e2、g1和g2为常数。
根据本发明的另一个方面，提供了一种测试薄膜振动频率和流速关系的装置，包括：气流供给模块、测试腔体、薄膜振动单元和信号处理分析模块；其中，
气流供给模块与信号处理分析模块相连，用于根据信号处理分析模块输出的气流流量信号，输出预设气流流量的恒定气流；
测试腔体为具有中空结构的壳体，其上分别设置有进气口和出气口，进气口与气流供给模块相连；
薄膜振动单元设置于测试腔体中，用于在气流供给模块提供的预设气流流量的恒定气流经测试腔体的进气口和出气口流过测试腔体时，产生周期性的交流电信号；
信号处理分析模块与薄膜振动单元相连，用于处理分析薄膜振动单元输出的周期性的交流电信号，并根据处理分析后的周期性的交流电信号以及气流流量信号，分析计算薄膜振动单元的振动频率和流速的函数关系。
可选地，薄膜振动单元进一步包括：振动薄膜和至少一个电极；
振动薄膜设置于测试腔体中，其具有固定端和自由端，其固定端靠近测试腔体的进气口方向设置于测试腔体的内壁上，其自由端靠近测试腔体的出气口方向设置；至少一个电极设置于测试腔体的内壁上；
当恒定气流经测试腔体的进气口和出气口流过测试腔体时，振动薄膜在恒定气流的作用下振动，振动薄膜与至少一个电极相互接触摩擦产生周期性的交流电信号；至少一个电极作为周期性的交流电信号的输出端；
其中，振动薄膜与至少一个电极相互接触摩擦的两个表面构成摩擦界面。
可选地，进气口的中心位置与出气口的中心位置正对；
振动薄膜的固定端与测试腔体设置有进气口的一端的距离大于或等于测试腔体的长度的1/3。
可选地，还包括：至少一个高分子聚合物层；
至少一个高分子聚合物层设置于至少一个电极上，至少一个高分子聚合物层与振动薄膜相对设置；当恒定气流经测试腔体的进气口和出气口流过测试腔体时，振动薄膜在恒定气流的作用下振动，至少一个高分子聚合物层与振动薄膜相互接触摩擦产生周期性的交流电信号；
其中，至少一个高分子聚合物层与振动薄膜相互接触摩擦的两个表面构成摩擦界面。
可选地，构成摩擦界面的两个表面中的至少一个表面上设有凸起列阵。
可选地，当测试腔体为导电材料，测试腔体与至少一个电极之间进一步设置有绝缘层，测试腔体用于屏蔽外界干扰信号，绝缘层用于防止测试腔体与至少一个电极之间导通；或者，
当测试腔体为绝缘材料，测试腔体的外部进一步设置有屏蔽层；屏蔽层用于屏蔽外界干扰信号。
可选地，信号处理分析模块进一步包括：信号预处理模块、气流流量控制模块和分析计算模块；其中，
信号预处理模块与薄膜振动单元相连，用于对薄膜振动单元输出的周期性的交流电信号进行预处理；
气流流量控制模块与气流供给模块相连，用于产生气流流量信号，并根据气流流量信号控制气流供给模块输出预设气流流量的恒定气流；
分析计算模块分别与信号预处理模块和气流流量控制模块相连，用于根据信号预处理模块输出的周期性的交流电信号以及气流流量控制模块输出的气流流量信号，分析计算薄膜振动单元的振动频率和流速的函数关系。
可选地，信号预处理模块进一步包括：整流模块、放大模块、滤波模块和模数转换模块；其中，
整流模块与薄膜振动单元相连，用于对薄膜振动单元输出的周期性的交流电信号进行整流处理；
放大模块与整流模块相连，用于对整流模块输出的经整流处理后的脉动的直流电信号进行放大处理；
滤波模块与放大模块相连，用于滤除放大模块输出的经过放大处理后的脉动的直流电信号中的干扰杂波；
模数转换模块与滤波模块相连，用于将滤波模块输出的模拟的脉动的直流电信号转换为对应的数字的脉动的直流电信号输出至分析计算模块。
可选地，分析计算模块根据信号预处理模块输出的周期性的交流电信号以及气流流量控制模块输出的气流流量信号，应用上述测试薄膜振动频率和流速关系的方法，分析计算薄膜振动单元的振动频率和流速的函数关系。
本发明提供的测试薄膜振动频率和流速关系的方法，根据摩擦发电原理，利用有限元分析方法和一次函数线性拟合方法来分析计算薄膜振动频率和流速的函数关系，简化了计算量，准确可靠；而本发明提供的测试薄膜振动频率和流速关系的装置，可实时测量振动频率和流速的关系，稳定性及可靠性高；同时该装置结构及制作工艺简单，成本低廉。
附图说明
图1为本发明提供的测试薄膜振动频率和流速关系的方法的实施例的流程示意图；
图2为本发明提供的测试薄膜振动频率和流速关系的装置的实施例的结构示意图；
图3为本发明提供的测试薄膜振动频率和流速关系的装置中的测试腔体及薄膜振动单元的实施例的结构示意图；
图4a为本发明的实施例一的气流流量与流速的函数关系示意图；
图4b为本发明的实施例一的振动频率与流速的函数关系示意图；
图5a为本发明的实施例二的气流流量与流速的函数关系示意图；
图5b为本发明的实施例二的振动频率与流速的函数关系示意图；
图6为本发明的实施例一和实施例二的振动频率与流速的函数关系对比示意图。
具体实施方式
为充分了解本发明之目的、特征及功效，下面将结合附图，对本发明技术方案的实施进行详细描述，但本发明并不仅仅限于此。
图1为本发明提供的测试薄膜振动频率和流速关系的方法的实施例的流程示意图。如图1所示，该方法包括：
步骤S100：使m种气流流量Q的值为am的恒定气流以单位时间t流过测试腔体，振动薄膜在气流的带动下与至少一个电极相互接触摩擦，输出与m种气流流量Q分别对应的周期性的交流电信号集合D；
步骤S110：根据周期性的交流电信号集合D，利用摩擦发电原理，分析计算得到m种气流流量Q分别对应的振动频率f，并得到m种气流流量Q和与其对应的振动频率f组成的m组第一对应数值；
步骤S120：建立测试腔体的模型结构，设置N种气流流量Q的值为bn，利用有限元分析方法，分析计算得到气流流量Q与流速V的函数关系；其中，气流流量Q的值bn以等差递增的方式变化；
步骤S130：根据m种气流流量Q和与其对应的振动频率f的对应关系，以及气流流量Q与流速V的函数关系，分析计算得到流速V与振动频率f的函数关系；
其中，N≥2，m、n和N都为正整数。
进一步地，根据周期性的交流电信号集合D，利用摩擦发电原理，分析计算得到m种气流流量Q分别对应的振动频率f具体为：根据与m种气流流量Q分别对应的周期性的交流电信号集合D，分别分析计算单位时间t内m种气流流量Q所对应的周期性的交流电信号集合D中脉冲对的次数，将该次数作为m种气流流量Q分别对应的振动频率f。
具体地，步骤S100可包括：
步骤S1001：预先设置m种气流流量Q的值为am的恒定气流，依次取值为a1、a2…am；
步骤S1002：使预先设置的m种气流流量Q依次取值为a1、a2…am的恒定气流分别流过测试腔体单位时间t，振动薄膜在气流的带动下与至少一个电极相互接触摩擦，输出与m种气流流量Q分别对应的m种周期性的交流电信号集合D，依次为D1、D2…Dm。
具体地，步骤S110可包括：
步骤S1101：根据周期性的交流电信号集合D1、D2…Dm，分析计算单位时间t内m种气流流量Q所对应的周期性的交流电信号集合D1、D2…Dm中脉冲对的次数，将该次数作为m种气流流量Q分别对应的振动频率f，依次为f1、f2…fm；
步骤S1102：根据m种气流流量Q和与其对应的振动频率f的对应关系，得到m组第一对应数值，分别为(a1，f1)、(a2，f2)…(am，fm)。
应当理解的是，振动薄膜在气流的带动下失稳进行往复振动，振动薄膜在往复振动过程中与至少一个电极相互接触摩擦，根据摩擦发电原理，振动薄膜在一个往复振动过程中，输出包含一个脉冲对的交流电信号，此脉冲对可以为包含两个同相脉冲的脉冲对，也可以为包含两个异相脉冲的脉冲对。
具体地，步骤S120可包括：
步骤S1201：建立测试腔体的模型结构，设置预设尺寸的气流流道，将振动薄膜设为平板刚体，并将该振动薄膜设置于所述气流流道的内部；
步骤S1202：预设N种气流流量Q的值bn，依次为b1、b2…bn，其中，N种气流流量Q的值b1、b2…bn以等差递增的方式变化；
步骤S1203：根据N种气流流量Q的值b1、b2…bn，利用有限元分析方法，分析计算得到与N种气流流量Q的值对应的流速V1，V2…Vn，并得到N组第二对应数值，分别为(V1，b1)、(V2，b2)…(Vn，bn)；
步骤S1204：根据N组第二对应数值，利用一次函数线性拟合方法，分析计算得到气流流量Q与流速V的函数关系式为：
V＝c1×Q+d1；或者，Q＝c2×V+d2；
其中，V为流速，Q为气流流量，c1、c2、d1和d2为常数。
具体地，步骤S130可包括：
步骤S1301：将m组第一对应数值中的气流流量Q的值a1、a2…am分别代入步骤S1204中分析计算得到的气流流量Q与流速V的函数关系式，分析计算得到与第一对应数值中的气流流量Q的值a1、a2…am分别对应的m种流速V的值v1、v2…vm；
步骤S1302：根据m种气流流量Q和与其对应的振动频率f的对应关系，以及气流流量Q与流速V的函数关系，得到m组第三对应数值(v1，f1)、(v2，f2)…(vm，fm)；
步骤S1303：根据得到的m组第三对应数值(v1，f1)、(v2，f2)…(vm，fm)，利用一次函数线性拟合方法，分析计算得到流速V与振动频率f的函数关系式为：
V＝e1×f+g1；或者，f＝e2×V+g2；
其中，V为流速，f为振动频率，e1、e2、g1和g2为常数。
在本实施例中，单位时间t可以根据本领域技术人员的实际需要进行选择，此处不作限定，例如：单位时间t为1秒。
应当注意的是，本发明提供的测试薄膜振动频率和流速关系的方法中利用的有限元分析方法和一次函数线性拟合方法都为现有技术中的有限元分析方法和一次函数线性拟合方法，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，此处不作限定。
本发明提供的测试薄膜振动频率和流速关系的方法，根据摩擦发电原理，利用有限元分析方法和一次函数线性拟合方法来分析计算薄膜振动频率和流速的函数关系，简化了计算量，准确可靠。
图2为本发明提供的测试薄膜振动频率和流速关系的装置的实施例的结构示意图。图3为本发明提供的测试薄膜振动频率和流速关系的装置中的测试腔体及薄膜振动单元的实施例的结构示意图。如图2和图3所示，该装置包括：气流供给模块100、测试腔体200、薄膜振动单元300和信号处理分析模块400。其中，气流供给模块100与信号处理分析模块400相连，用于根据信号处理分析模块400输出的气流流量信号，输出预设气流流量的恒定气流；测试腔体200为具有中空结构的壳体，其上分别设置有进气口210和出气口220，进气口210与气流供给模块100相连；薄膜振动单元300设置于测试腔体200中，用于在气流供给模块400提供的预设气流流量的恒定气流经测试腔体200的进气口210和出气口220流过测试腔体200时，产生周期性的交流电信号；信号处理分析模块400与薄膜振动单元300相连，用于处理分析薄膜振动单元300输出的周期性的交流电信号，并根据处理分析后的周期性的交流电信号以及气流流量信号，分析计算薄膜振动单元300的振动频率和流速的函数关系。
其中，气流供给模块100采用现有技术中能够根据信号处理分析模块400输出的气流流量信号，输出预设气流流量的恒定气流的气流源，此处不作限定。
其中，测试腔体200为具有中空结构的壳体，其壳体的形状可以为棱柱体(如长方体、正方体)、球体、圆柱体、圆锥体、棱锥体等，其中空结构的形状可以为棱柱体(如长方体、正方体)、球体、圆柱体、圆锥体、棱锥体等，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，此处不作限定。
应当理解的是，测试腔体200的壳体的形状和中空结构的形状可以任意组合使用。例如：若测试腔体200的壳体的形状为长方体，测试腔体200的中空结构的形状可以为棱柱体(如长方体、正方体)、球体、圆柱体、圆锥体、棱锥体中的任意一种；若测试腔体200的壳体的形状为球体，测试腔体200的中空结构的形状可以为棱柱体(如长方体、正方体)、球体、圆柱体、圆锥体、棱锥体中的任意一种；以此类推，此处不再赘述。优选地，如图3所示，测试腔体200的壳体的形状为长方体，测试腔体200的中空结构的形状为长方体。
可选地，如图3所示，测试腔体200的进气口210的中心位置和测试腔体200的出气口220的中心位置正对。这种设置方式，能够使恒定气流流过测试腔体200的进气口210后，不经转弯地直接从测试腔体200的出气口220流出，减少了测试腔体200中气流涡流的产生提高测试腔体200中气流的稳定性。
其中，薄膜振动单元300设置于测试腔体200中，且其设置方向与流过测试腔体300的恒定气流的流动方向相同，这样可以保证在测试腔体200有恒定气流流过时薄膜振动单元300能够更好地产生周期性的交流电信号。
进一步地，薄膜振动单元300可包括：振动薄膜310和至少一个电极320；振动薄膜310设置于测试腔体中，其具有固定端和自由端，固定端靠近测试腔体200的进气口210的方向设置于测试腔体200的内壁上，其自由端靠近测试腔体200的出气口220的方向设置；至少一个电极320设置于测试腔体200的内壁上；当恒定气流经测试腔体200的进气口210和出气口220流过测试腔体200时，振动薄膜310在恒定气流的作用下振动，振动薄膜310与至少一个电极320相互接触摩擦产生周期性的交流电信号；至少一个电极320作为周期性的交流电信号的输出端；其中，振动薄膜310与至少一个电极320相互接触摩擦的两个表面构成摩擦界面。
振动薄膜310的固定端靠近测试腔体200的进气口210的方向设置于测试腔体200的内壁上，其自由端靠近测试腔体200的出气口220的方向设置是为了使恒定气流从振动薄膜310的固定端的方向流入作用在振动薄膜310上，从而避免振动薄膜310在恒定气流的作用下振动时发生卷曲和/或破损，进而使振动薄膜310与至少一个电极320更好地接触摩擦。
可选地，当进气口210的中心位置与出气口220的中心位置正对时，振动薄膜310的固定端与测试腔体200设置有进气口210的一端的距离大于或者等于测试腔体200的长度的1/3，这种设置方式可以保证气流从进气口210流入到达振动薄膜310的固定端时，恒定气流的流速稳定，也就是说，这种设置方式可以保证恒定气流以稳定的流速作用于振动薄膜310(即振动薄膜310的固定端)上，从而保证振动薄膜310稳定地振动，更好地接触摩擦，进而提高产生的周期性的交流电信号，降低处理分析周期性的交流电信号的难度。更优选地，当进气口210的中心位置与出气口220的中心位置正对时，振动薄膜310的固定端与测试腔体200设置有进气口210的一端的距离等于测试腔体200的长度的1/3。
在一种可选实施方式中，为了使振动薄膜310更为稳固的设置于测试腔体200的内壁上，在测试腔体200的内壁上设置有用于固定振动薄膜310的固定端的至少一个固定凹槽230。另外，至少一个固定凹槽230的数量可以为一个，也可以为多个，本领域技术人员可以根据实际需要选择固定凹槽230的数量，此处不作限定。具体地，如图3所示，在测试腔体200的两个相对的内侧壁上有沿长度方向对称设置的两个固定凹槽230，振动薄膜310的固定端的沿长度方向的两端分别设置于两个固定凹槽230中。
更为优选地，为了使振动薄膜310与测试腔体200的进气口210之间的距离更容易调整，振动薄膜310的固定端以可拆卸和/或可滑动调节的方式设置于至少一个固定凹槽230中，从而可以灵活地调整振动薄膜310的固定端与测试腔体200的进气口210之间的距离。
振动薄膜310的形状可以为多边形(如长方形、三角形等)、扇形等，当然，本领域技术人员还可以根据实际需要选择其他形状的振动薄膜310，此处不作限定。
振动薄膜310的厚度可以为5μm至20μm，当然，本领域技术人员还可以根据实际需要选择其他厚度的振动薄膜310，但是，应当避免振动薄膜310的厚度过薄导致的振动不稳定，或者振动薄膜310的厚度过厚导致的无法起振的问题。
此外，振动薄膜310的长度应大于振动薄膜310与至少一个电极320之间的距离，同时其长度还应小于振动薄膜310的固定端与测试腔体200的出气口220之间的距离。振动薄膜310的长度应大于振动薄膜310与至少一个电极320之间的距离是为了保证振动薄膜310在振动过程中能够与至少一个电极320相互接触摩擦，而振动薄膜310的长度应小于振动薄膜310的固定端与测试腔体200的出气口220之间的距离是为了保证振动薄膜310在测试腔体200内能够进行振动。
振动薄膜310的材料可以选择聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、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、纤维(再生)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，甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、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、甲醛苯酚、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、丙烯腈氯乙烯和聚乙烯丙二酚碳酸盐中的任意一种。
至少一个电极320设置于测试腔体200的内壁上，应当注意的是，在测试腔体200的内壁上设置至少一个电极320时，必须保证振动薄膜310能够与至少一个电极320相互接触摩擦。另外，至少一个电极320的数量可以为一个，也可以多个。本领域技术人员可以根据实际需要选择至少一个电极320的设置位置及数量，此处不作限定。
具体地，如图3所示，当测试腔体200的壳体和中空结构的形状都为长方体时，振动薄膜310沿长度方向设置于测试腔体200中，至少一个电极320可以设置于与振动薄膜310的表面相对的测试腔体200的内壁上，具体地，至少一个电极320可以仅设置在与振动薄膜310的第一侧表面相对的测试腔体200的内侧顶壁上；也可以仅设置在与振动薄膜310的第二侧表面相对的测试腔体200的内侧底壁上，还可以同时设置在与振动薄膜310的第一侧表面和第二侧表面分别相对的测试腔体200的内侧顶壁和内侧底壁上。
至少一个电极320可以为金属电极。具体地，金属电极的材料可以为金属或合金，其中，金属可以是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金可以是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。除此之外，至少一个电极320也可以为非金属电极，非金属电极的材料可以为铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜等非金属导电材料。
在一种可选实施方式中，本发明提供的测试薄膜振动频率和流速关系的装置还包括：至少一个高分子聚合物层(图中未示出)；该至少一个高分子聚合物层设置于至少一个电极320上，至少一个高分子聚合物层与振动薄膜310相对设置；当恒定气流经测试腔体200的进气口210和出气口220流过测试腔体200时，振动薄膜310在恒定气流的作用下振动，至少一个高分子聚合物层与振动薄膜310(即振动薄膜310的自由端)相互接触摩擦产生周期性的交流电信号；其中，高分子聚合物层与振动薄膜310相互接触摩擦的两个表面构成摩擦界面。
具体地，当测试腔体200的壳体和中空结构的形状都为长方体，振动薄膜310沿长度方向设置于测试腔体200中时，若至少一个电极320设置于与振动薄膜310的第一侧表面相对的测试腔体200的内侧顶壁上，至少一个高分子聚合物层的第一侧表面可设置在该至少一个电极320上，其第二侧表面与振动薄膜310的第一侧表面相对设置，当振动薄膜310的自由端在气流的作用下振动，至少一个高分子聚合物的第二侧表面与振动薄膜310的第一侧表面相互接触摩擦；若至少一个电极320设置于与振动薄膜310的第二侧表面相对的测试腔体200的内侧底壁上，至少一个高分子聚合物层的第二侧表面可设置在至少一个电极320上，其第一侧表面与振动薄膜310的第二侧表面相对设置，当振动薄膜310的自由端在气流的作用下振动，至少一个高分子聚合物的第一侧表面与振动薄膜310的第二侧表面相互接触摩擦；其他情况以此类推，此处不再赘述。
应当理解的是，至少一个电极320上可以设置至少一个高分子聚合物层，也可以不设置至少一个高分子聚合物层，也就是说，可以在所有的电极320上都设置高分子聚合物层，也可以在一部分电极320上设置高分子聚合物层，此处不作限定。例如：若包括两个电极320，可以在两个电极320上都设置高分子聚合物层，也可以在两个电极320中的任意一个上设置高分子聚合物层。
至少一个高分子聚合物层的材料可以选择聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、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、纤维(再生)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，甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、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、甲醛苯酚、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、丙烯腈氯乙烯和聚乙烯丙二酚碳酸盐中的任意一种。此外，至少一个高分子聚合物层的材料可以与振动薄膜310的材料相同，也可以不同。为了增加摩擦发电效果，优选地，高分子聚合物层的材料与振动薄膜310的材料不同。
为了增加构成摩擦界面的两个表面之间的摩擦力，可以在构成摩擦界面的两个表面中的至少一个表面上设置有凸起阵列结构，本发明中的凸起阵列结构采用现有技术中的凸起阵列结构，且对凸起阵列结构中包含的凹陷和凸起的种类、数量不做限定，本领域技术人员可以灵活设置凸起阵列结构中所包含的凹陷和凸起的种类和数量，此处不做限定。例如：凸起阵列结构为多个凸点按照长方形或菱形排列构成，或者为多个带状结构按照几何排列设置在至少一个表面的两侧、四角、四周边缘或整个表面上。其中，凸点形状可以为圆柱形、四棱柱形或四棱锥形等；带状结构可以按照井字、叉字、斑马线型、十字或口字的形状阵列排列。
测试腔体200的材料可以为导电材料也可以为绝缘材料，此处不作限定。当测试腔体200的材料为导电材料时，测试腔体200与至少一个电极320之间进一步设置绝缘层，此时，测试腔体200还用于屏蔽外界干扰信号，而绝缘层用于防止测试腔体200与至少一个电极320导通；当测试腔体200的材料为绝缘材料时，测试腔体200的外部进一步设置屏蔽层，该屏蔽层用于屏蔽外界干扰信号。
屏蔽层可以为单独设置的导电壳体，该导电壳体套设在测试腔体200的外部，其材料可以为金属或合金；另外，屏蔽层还可以为与测试腔体200一体设置的导电薄膜，例如，该导电薄膜可以以涂刷的方式设置在测试腔体200的外侧表面上。
其中，如图2所示，信号处理分析模块400进一步包括：信号预处理模块410、气流流量控制模块420和分析计算模块430；其中，信号预处理模块410与薄膜振动单元300相连接，用于对薄膜振动单元300输出的周期性的交流电信号进行预处理；气流流量控制模块420与气流供给模块100相连接，用于产生气流流量信号，并根据气流流量信号控制气流供给模块100输出预设气流流量的恒定气流；分析计算模块430分别与信号预处理模块410和气流流量控制模块420相连，用于根据信号预处理模块410输出的电信号以及气流流量控制模块420输出的气流流量信号，分析计算薄膜振动单元300的振动频率和流速的函数关系。
具体地，当薄膜振动单元300中进一步包括振动薄膜310和至少一个电极320时，信号预处理模块410与薄膜振动单元300中的至少一个电极320相连接，用于对薄膜振动单元300中的至少一个电极320输出的周期性的交流电信号进行预处理；气流流量控制模块420与气流供给模块100相连接，用于产生气流流量信号，并根据气流流量信号控制气流供给模块100输出预设气流流量的恒定气流；分析计算模块430分别与信号预处理模块410和气流流量控制模块420相连，用于根据信号预处理模块410输出的电信号以及气流流量控制模块420输出的气流流量信号，分析计算薄膜振动单元300中的振动薄膜310的振动频率和流速的函数关系。
薄膜振动单元300输出的周期性的交流电信号一般为较为微弱的模拟交流脉冲信号，且在薄膜振动单元300输出的周期性的交流电信号中通常掺杂有工频干扰信号和/或高频噪声干扰信号等，所以，在获取到薄膜振动单元300输出的周期性的交流电信号后，应对该电信号进行预处理，以便后续各个模块对该电信号进行分析处理。具体地，信号预处理模块410可包括：整流模块411，放大模块412，滤波模块413以及模数转换模块414；其中，整流模块411与薄膜振动单元300相连，用于对薄膜振动单元300输出的周期性的交流电信号进行整流处理；放大模块412与整流模块411相连，用于对整流模块411输出的经整流处理后的脉动的直流电信号进行放大处理；滤波模块413与放大模块412相连，用于滤除放大模块412输出的经过放大处理后的脉动的直流电信号中的干扰杂波；模数转换模块414与滤波模块413相连，用于将滤波模块413输出的模拟的脉动的直流电信号转换为对应的数字的脉动的直流电信号输出至分析计算模块430。
更具体地，当薄膜振动单元300中进一步包括振动薄膜310和至少一个电极320时，信号预处理模块410可包括：整流模块411，放大模块412，滤波模块413以及模数转换模块414；其中，整流模块411与薄膜振动单元300中的至少一个电极320相连，用于对薄膜振动单元300中的至少一个电极320输出的周期性的交流电信号进行整流处理；放大模块412与整流模块411相连，用于对整流模块411输出的经整流处理后的脉动的直流电信号进行放大处理；滤波模块413与放大模块412相连，用于滤除放大模块412输出的经过放大处理后的脉动的直流电信号中的干扰杂波；模数转换模块414与滤波模块413相连，用于将滤波模块413输出的模拟的脉动的直流电信号转换为对应的数字的脉动的直流电信号输出至分析计算模块430。
应当注意的是，上述整流模块411、放大模块412、滤波模块413和数模转换模块414为可选模块，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择，此处不作特殊限定。例如：若不需要整流模块411，则可省去整流模块411，使薄膜振动单元300与放大模块412相连或者薄膜振动单元300中的至少一个电极320与放大模块412相连；若不需要放大模块412，则可省去放大模块412，使整流模块411与滤波模块413相连；以此类推，此处不再赘述。
气流流量控制模块420可选用现有技术中的流量计等，本领域技术人员可以根据实际需要选择合适的气流流量控制模块420，此处不作限定。
分析计算模块430根据信号预处理模块410输出的周期性的交流电信号以及气流流量控制模块420输出的气流流量信号，应用测试薄膜振动频率和流速关系的方法，分析计算薄膜振动单元的振动频率和流速的函数关系。
其中，分析计算模块430应用的测试薄膜振动频率和流速关系的方法可以为本发明提供的测试薄膜振动频率和流速关系的方法，也可以采用现有技术中的其他测试薄膜振动频率和流速关系的方法，此处不作限定。
本发明提供的测试薄膜振动频率和流速关系的装置，可实时测量振动频率和流速的关系，稳定性及可靠性高；同时，本发明提供的测试薄膜振动频率和流速关系的装置结构及制作工艺简单，成本低廉。
下面通过两个具体实施例详细介绍本发明提供的测试薄膜振动频率和流速关系的方法和装置，需要说明的是，这些实施例仅是说明性的，而不能理解为对本发明的限制。
实施例一
根据本发明提供的测试薄膜振动频率和流速关系的方法及装置，本实施例将测试腔体200和薄膜振动单元300的结构设置为：
测试腔体200为长方体测试腔体，即测试腔体200的壳体和中空结构都为长方体形状，其进气口210的中心位置与出气口220的中心位置正对，测试腔体200的壳体的长度×宽度×高度为30毫米×7毫米×4毫米，其材料为铜；测试腔体200的中空结构的长度×宽度×高度为30毫米×4毫米×1毫米；
薄膜振动单元300包括振动薄膜310和一个电极320；其中，
振动薄膜310为轴对称的T字型结构振动薄膜，其固定端的长度×宽度为1.5毫米×4毫米，其自由端的长度×宽度为10.5毫米×2.5毫米，其厚度为0.01毫米，其固定端与测试腔体200设置有进气口210的一端的距离等于测试腔体200的长度的1/2，即其固定端与测试腔体200设置有进气口210的一端的距离为15毫米，其材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯；
电极320沿长度和宽度方向设置于与振动薄膜310的第一侧表面相对的测试腔体200的内侧底壁上，其材料为铜；电极320与测试腔体200之间设置3M胶带进行绝缘。
当恒定气流经测试腔体200的进气口210和出气口220流过测试腔体200时，振动薄膜310在恒定气流的作用下振动，振动薄膜310与电极320相互接触摩擦产生周期性的交流电信号，由电极320作为该周期性的交流电信号的输出端输出至信号处理分析模块400，并由信号处理分析模块400处理分析薄膜振动单元300输出的周期性的交流电信号，分析计算薄膜振动单元300的振动频率和流速的函数关系。
采用本实施例提供的测试薄膜振动频率和流速关系的装置，并应用本发明提供的测试薄膜振动频率和流速关系的方法进行测试的具体方法步骤如下所述：
预先设置23种气流流量Q的值为am的恒定气流，依次取值为a1、a2…a23；
使预先设置的23种气流流量Q依次取值为a1、a2…a23的恒定气流分别流过测试腔体200单位时间1秒，振动薄膜310在气流的带动下与电极320相互接触摩擦，输出与23种气流流量Q分别对应的周期性的交流电信号集合D，依次为D1、D2…D23；
根据周期性的交流电信号集合D1、D2…D23，分别分析计算单位时间1秒内23种气流流量Q所对应的周期性的交流电信号集合D1、D2…D23中脉冲对的次数，将该次数作为23种气流流量Q分别对应的振动频率f，依次为f1、f2…f23；
根据23种气流流量Q和与其对应的振动频率f的对应关系，得到23组第一对应数值，分别为(a1，f1)、(a2，f2)…(a23，f23)，其中，表1为由预先设置的23种气流流量Q以及与预先设置的23种气流流量Q对应的振动频率f组成的第一对应数值表，气流流量Q的单位为升/分钟，振动频率f的单位为赫兹；
表1
(a<sub>1</sub>,f<sub>1</sub>) (a<sub>2</sub>,f<sub>2</sub>) (a<sub>3</sub>,f<sub>3</sub>) (a<sub>4</sub>,f<sub>4</sub>) (a<sub>5</sub>,f<sub>5</sub>) (a<sub>6</sub>,f<sub>6</sub>) (a<sub>7</sub>,f<sub>7</sub>)
(6.1,1773) (5.9,1575) (5.46,1454) (5.22,1333) (4.88,1260) (4.44,1147) (4.21,1099)
(a<sub>8</sub>,f<sub>8</sub>) (a<sub>9</sub>,f<sub>9</sub>) (a<sub>10</sub>,f<sub>10</sub>) (a<sub>11</sub>,f<sub>11</sub>) (a<sub>12</sub>,f<sub>12</sub>) (a<sub>13</sub>,f<sub>13</sub>) (a<sub>14</sub>,f<sub>14</sub>)
(3.91,1034) (3.56,855) (3.46,771) (3.29,701) (2.38,518) (5.79,1545) (5.52,1444)
(a<sub>15</sub>,f<sub>15</sub>) (a<sub>16</sub>,f<sub>16</sub>) (a<sub>17</sub>,f<sub>17</sub>) (a<sub>18</sub>,f<sub>18</sub>) (a<sub>19</sub>,f<sub>19</sub>) (a<sub>20</sub>,f<sub>20</sub>) (a<sub>21</sub>,f<sub>21</sub>)
(5.2,1368) (4.93,1298) (4.84,1242) (4.62,1182) (4.13,1069) (3.93,1019) (3.41,789)
(a<sub>22</sub>,f<sub>22</sub>) (a<sub>23</sub>,f<sub>23</sub>)
(2.98,625) (2.1,459)
建立测试腔体200的模型结构；
预设5种气流流量Q的值为bn，依次为b1、b2…b5；其中，气流流量Q的值以等差递增的方式变化；
根据5种气流流量Q的值b1、b2…b5，利用有限元分析方法，分析计算得到与5种气流流量Q的值对应的流速V1，V2…V5，并得到5组第二对应数值，分别为(V1，b1)、(V2，b2)…(V5，b5)，其中，表2为由预先设置的5种气流流量Q以及与预先设置的5种气流流量Q对应的流速V组成的第二对应数值表，气流流量Q的单位为升/分钟，流速V的单位为米/秒；
表2
(V<sub>1</sub>,b<sub>1</sub>) (V<sub>2</sub>,b<sub>2</sub>) (V<sub>3</sub>,b<sub>3</sub>) (V<sub>4</sub>,b<sub>4</sub>) (V<sub>5</sub>,b<sub>5</sub>)
(13.8902,2) (19.3052,3) (24.7202,4) (30.1352,5) (35.5502,6)
图4a为本发明的实施例一的气流流量Q与流速V的函数关系示意图。如图4a所示，先将5组第二对应数值中的气流流量Q作为横坐标、流速V作为纵坐标绘制于坐标系中，然后根据5组第二对应数值，利用一次函数线性拟合方法，分析计算得到气流流量Q与流速V的函数关系式为：
V＝5.415×Q+3.0602；
将23组第一对应数值中的气流流量Q的值a1、a2…a23分别代入该气流流量Q与流速V的函数关系式，分析计算得到与第一对应数值中的气流流量Q的值a1、a2…a23分别对应的23种流速V的值v1、v2…v23；
根据23种气流流量Q和与其对应的振动频率f的对应关系，以及气流流量Q与流速V的函数关系，得到23组第三对应数值(v1，f1)、(v2，f2)…(v23，f23)；
图4b为本发明的实施例一的振动频率f与流速V的函数关系示意图。如图4b所示，先将23组第三对应数值中的振动频率f作为横坐标、流速V作为纵坐标绘制于坐标系中，然后根据得到的23组第三对应数值(v1，f1)、(v2，f2)…(v23，f23)，利用一次函数线性拟合方法，分析计算得到流速V与振动频率f的函数关系式为：
V＝0.0169×f+7.8688。
实施例二
根据本发明提供的测试薄膜振动频率和流速关系的方法及装置，本实施例将测试腔体200和薄膜振动单元300的结构设置为：
测试腔体200为长方体测试腔体，即测试腔体200的壳体和中空结构都为长方体形状，其进气口210的中心位置与出气口220的中心位置正对，测试腔体200的壳体的长度×宽度×高度为：30毫米×7毫米×4毫米，其材料为铜；测试腔体200的中空结构的长度×宽度×高度为30毫米×4毫米×0.6毫米；
薄膜振动单元300包括振动薄膜310和一个电极320；其中，
振动薄膜310为轴对称的T字型结构振动薄膜，其固定端的长度×宽度为1.5毫米×4毫米，其自由端的长度×宽度为10.5毫米×2.5毫米，其厚度为0.01毫米，其固定端与测试腔体200设置有进气口210的一端的距离等于测试腔体200的长度的1/2，即其固定端与测试腔体200设置有进气口210的一端的距离为15毫米，其材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯；
电极320沿长度和宽度方向设置于与振动薄膜310的第一侧表面相对的测试腔体200的内侧底壁上，其材料为铜；电极320与测试腔体200之间设置3M胶带进行绝缘。
当恒定气流经测试腔体200的进气口210和出气口220流过测试腔体200时，振动薄膜310在恒定气流的作用下振动，振动薄膜310与电极320相互接触摩擦产生周期性的交流电信号，由电极320作为该周期性的交流电信号的输出端输出至信号处理分析模块400，并由信号处理分析模块400处理分析薄膜振动单元300输出的周期性的交流电信号，分析计算薄膜振动单元300的振动频率和流速的函数关系。
采用本实施例提供的测试薄膜振动频率和流速关系的装置，并应用本发明提供的测试薄膜振动频率和流速关系的方法进行测试的具体方法步骤如下所述：
预先设置15种气流流量Q的值为am的恒定气流，依次取值为a1、a2…a15；
使预先设置的15种气流流量Q依次取值为a1、a2…a15的恒定气流分别流过测试腔体200单位时间1秒，振动薄膜310在气流的带动下与电极320相互接触摩擦，输出与15种气流流量Q分别对应的周期性的交流电信号集合D，依次为D1、D2…D15；
根据周期性的交流电信号集合D1、D2…D15，分别分析计算单位时间1秒内15种气流流量Q所对应的周期性的交流电信号集合D1、D2…D15中脉冲对的次数，将该次数作为15种气流流量Q分别对应的振动频率f，依次为f1、f2…f15；
根据15种气流流量Q和与其对应的振动频率f的对应关系，得到15组第一对应数值，分别为(a1，f1)、(a2，f2)…(a15，f15)，其中，表3为由预先设置的15种气流流量Q以及与预先设置的15种气流流量Q对应的振动频率f组成的第一对应数值表，气流流量Q的单位为升/分钟，振动频率f的单位为赫兹；
表3
(a<sub>1</sub>,f<sub>1</sub>) (a<sub>2</sub>,f<sub>2</sub>) (a<sub>3</sub>,f<sub>3</sub>) (a<sub>4</sub>,f<sub>4</sub>) (a<sub>5</sub>,f<sub>5</sub>) (a<sub>6</sub>,f<sub>6</sub>) (a<sub>7</sub>,f<sub>7</sub>)
(3.44,858) (3.34,1823) (3.06,1615) (2.55,1293) (2.06,1026) (1.57,750) (1.05,488)
(a<sub>8</sub>,f<sub>8</sub>) (a<sub>9</sub>,f<sub>9</sub>) (a<sub>10</sub>,f<sub>10</sub>) (a<sub>11</sub>,f<sub>11</sub>) (a<sub>12</sub>,f<sub>12</sub>) (a<sub>13</sub>,f<sub>13</sub>) (a<sub>14</sub>,f<sub>14</sub>)
(3.5,1868) (3.25,1750) (2.97,1493) (2.88,1417) (2.68,1377) (2.02,994) (1.97,934)
(a<sub>15</sub>,f<sub>15</sub>)
(1.43,634)
建立测试腔体200的模型结构；
预设5种气流流量Q的值为bn，依次为b1、b2…b5；其中，气流流量Q的值以等差递增的方式变化；
根据5种气流流量Q的值b1、b2…b5，利用有限元分析方法，分析计算得到与5种气流流量Q的值对应的流速V1，V2…V5，并得到5组第二对应数值，分别为(V1，b1)、(V2，b2)…(V5，b5)，其中，表4为由预先设置的5种气流流量Q以及与预先设置的5种气流流量Q对应的流速V组成的第二对应数值表，气流流量Q的单位为升/分钟，流速V的单位为米/秒；
表4
(V<sub>1</sub>,b<sub>1</sub>) (V<sub>2</sub>,b<sub>2</sub>) (V<sub>3</sub>,b<sub>3</sub>) (V<sub>4</sub>,b<sub>4</sub>) (V<sub>5</sub>,b<sub>5</sub>)
(19.9024,1.5) (24.8177,2) (29.733,2.5) (34.6483,3) (39.5636,3.5)
图5a为本发明的实施例二的气流流量Q与流速V的函数关系示意图。如图5a所示，先将5组第二对应数值中的气流流量Q作为横坐标、流速V作为纵坐标绘制于坐标系中，然后根据5组第二对应数值，利用一次函数线性拟合方法，分析计算得到气流流量Q与流速V的函数关系式为：
V＝9.8306×Q+5.1565；
将15组第一对应数值中的气流流量Q的值a1、a2…a15分别代入该气流流量Q与流速V的函数关系式，分析计算得到与第一对应数值中的气流流量Q的值a1、a2…a15分别对应的15种流速V的值v1、v2…v15；
根据15种气流流量Q和与其对应的振动频率f的对应关系，以及气流流量Q与流速V的函数关系，得到15组第三对应数值(v1，f1)、(v2，f2)…(v15，f15)；
图5b为本发明的实施例二的振动频率f与流速V的函数关系示意图。如图5b所示，先将15组第三对应数值中的振动频率f作为横坐标、流速V作为纵坐标绘制于坐标系中，然后根据得到的15组第三对应数值(v1，f1)、(v2，f2)…(v15，f15)，利用一次函数线性拟合方法，分析计算得到流速V与振动频率f的函数关系式为：
V＝0.0167×f+8.3504。
实施例一与实施例二区别仅在于：实施例一中的测试腔体200的中空结构的高度为1毫米，实施例二中的测试腔体200的中空结构的高度为0.6毫米。
由图4b和图5b可知，实施例一或实施例二的振动频率f随流速V的增加而增加，并且还可以知道实施例一与实施例二的测试数据之间存在不同，为了避免因测试腔体200和振动薄膜单元300导致的误差，利用一次函数线性拟合方法进行拟合后，发现实施例一与实施例二形成的直线重合，也就是说，实施例一和实施例二的振动频率f和流速V都呈线性正相关。
如图4b和图5b所示，流速V取值35米/秒时，实施例一中的振动频率f取整为1605赫兹；实施例二中的振动频率f取整为1596赫兹，由此可知，实施例一与实施例二在流速相同时，其对应的振动频率不同，存在由测试腔体200和振动薄膜单元300导致的误差。但是，根据图6所示的实施例一和实施例二的振动频率f与流速V的函数关系对比示意图可知，实施例一和实施例二的测试数据经过一次函数线性拟合后形成的直线是重合的，这说明实施例一和实施例二具有很好的一致性。也就是说，本发明提供的测试薄膜振动频率和流速关系的方法及装置不仅可以实时测量振动频率和流速的关系，还具有较高的稳定性及可靠性。此外，由于实施例一与实施例二区别仅在于：测试腔体200的尺寸的不同，因此，可以清楚地知道，振动薄膜310的振动频率f与其所处的测试腔体200的尺寸无关。
本发明提供的测试薄膜振动频率和流速关系的方法，根据摩擦发电原理，利用有限元分析方法和一次函数线性拟合方法来分析计算薄膜振动频率和流速的函数关系，简化了计算量，准确可靠；而本发明提供的测试薄膜振动频率和流速关系的装置，可实时测量振动频率和流速的关系，稳定性及可靠性高；同时该装置结构及制作工艺简单，成本低廉。
本领域技术人员可以理解，虽然上述说明中，为便于理解，对方法的步骤采用了顺序性描述，但是应当指出，对于上述步骤的顺序并不作严格限制。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。
还可以理解的是，附图或实施例中所示的装置结构仅仅是示意性的，表示逻辑结构。其中作为分离部件显示的模块可能是或者可能不是物理上分开的，作为模块显示的部件可能是或者可能不是物理模块。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (16)

1.一种测试薄膜振动频率和流速关系的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S100：使m种气流流量Q的值为am的恒定气流以单位时间t流过测试腔体，振动薄膜在气流的带动下与至少一个电极相互接触摩擦，输出与m种气流流量Q分别对应的周期性的交流电信号集合D；
步骤S110：根据周期性的交流电信号集合D，利用摩擦发电原理，分析计算得到m种气流流量Q分别对应的振动频率f，并得到m种气流流量Q和与其对应的振动频率f组成的m组第一对应数值；
步骤S120：建立测试腔体的模型结构，设置N种气流流量Q的值为bn，利用有限元分析方法，分析计算得到气流流量Q与流速V的函数关系；其中，气流流量Q的值bn以等差递增的方式变化；
步骤S130：根据m种气流流量Q和与其对应的振动频率f的对应关系，以及气流流量Q与流速V的函数关系，分析计算得到流速V与振动频率f的函数关系；
其中，N≥2，m、n和N都为正整数。
2.根据权利要求1所述的测试薄膜振动频率和流速关系的方法，其特征在于，所述步骤S110中的根据周期性的交流电信号集合D，利用摩擦发电原理，分析计算得到m种气流流量Q分别对应的振动频率f具体包括：
根据与m种气流流量Q分别对应的周期性的交流电信号集合D，分别分析计算单位时间t内m种气流流量Q所对应的周期性的交流电信号集合D中脉冲对的次数，将所述次数作为m种气流流量Q分别对应的振动频率f。
3.根据权利要求1或2所述的测试薄膜振动频率和流速关系的方法，其特征在于，所述步骤S120中的建立测试腔体的模型结构具体包括：
建立预设尺寸的气流流道，将振动薄膜设为平板刚体，并将所述振动薄膜设置于所述气流流道的内部。
4.根据权利要求1-3任一项所述的测试薄膜振动频率和流速关系的方法，其特征在于，所述步骤S100具体包括：
步骤S1001：预先设置m种气流流量Q的值为am的恒定气流，依次取值为a1、a2…am；
步骤S1002：使预先设置的m种气流流量Q依次取值为a1、a2…am的恒定气流分别流过测试腔体单位时间t，所述振动薄膜在气流的带动下与所述至少一个电极相互接触摩擦，输出与m种气流流量Q分别对应的周期性的交流电信号集合D，依次为D1、D2…Dm。
5.根据权利要求4所述的测试薄膜振动频率和流速关系的方法，其特征在于，所述步骤S110具体包括：
步骤S1101：根据周期性的交流电信号集合D1、D2…Dm，分别分析计算单位时间t内m种气流流量Q所对应的周期性的交流电信号集合D1、D2…Dm中脉冲对的次数，将所述次数作为m种气流流量Q分别对应的振动频率f，依次为f1、f2…fm；
步骤S1102：根据m种气流流量Q和与其对应的振动频率f的对应关系，得到m组第一对应数值，分别为(a1，f1)、(a2，f2)…(am，fm)。
6.根据权利要求5所述的测试薄膜振动频率和流速关系的方法，其特征在于，所述步骤S120具体包括：
步骤S1201：建立测试腔体的模型结构；
步骤S1202：预设N种气流流量Q的值为bn，依次为b1、b2…bn；其中，气流流量Q的值以等差递增的方式变化；
步骤S1203：根据N种气流流量Q的值b1、b2…bn，利用有限元分析方法，分析计算得到与N种气流流量Q的值对应的流速V1，V2…Vn，并得到N组第二对应数值，分别为(V1，b1)、(V2，b2)…(Vn，bn)；
步骤S1204：根据N组第二对应数值，利用一次函数线性拟合方法，分析计算得到气流流量Q与流速V的函数关系式为：
V＝c1×Q+d1；或者，Q＝c2×V+d2；
其中，V为流速，Q为气流流量，c1、c2、d1和d2为常数。
7.根据权利要求6所述的测试薄膜振动频率和流速关系的方法，其特征在于，所述步骤S130具体包括：
步骤S1301：将m组第一对应数值中的气流流量Q的值a1、a2…am分别代入步骤S1204中分析计算得到的气流流量Q与流速V的函数关系式，分析计算得到与第一对应数值中的气流流量Q的值a1、a2…am分别对应的m种流速V的值v1、v2…vm；
步骤S1302：根据m种气流流量Q和与其对应的振动频率f的对应关系，以及气流流量Q与流速V的函数关系，得到m组第三对应数值(v1，f1)、(v2，f2)…(vm，fm)；
步骤S1303：根据得到的m组第三对应数值(v1，f1)、(v2，f2)…(vm，fm)，利用一次函数线性拟合方法，分析计算得到流速V与振动频率f的函数关系式为：
V＝e1×f+g1；或者，f＝e2×V+g2；
其中，V为流速，f为振动频率，e1、e2、g1和g2为常数。
8.一种测试薄膜振动频率和流速关系的装置，其特征在于，包括：气流供给模块、测试腔体、薄膜振动单元和信号处理分析模块；其中，
所述气流供给模块与所述信号处理分析模块相连，用于根据所述信号处理分析模块输出的气流流量信号，输出预设气流流量的恒定气流；
所述测试腔体为具有中空结构的壳体，其上分别设置有进气口和出气口，所述进气口与所述气流供给模块相连；
所述薄膜振动单元设置于所述测试腔体中，用于在所述气流供给模块提供的预设气流流量的恒定气流经所述测试腔体的进气口和出气口流过所述测试腔体时，产生周期性的交流电信号；
所述信号处理分析模块与所述薄膜振动单元相连，用于处理分析所述薄膜振动单元输出的周期性的交流电信号，并根据处理分析后的所述周期性的交流电信号以及所述气流流量信号，分析计算所述薄膜振动单元的振动频率和流速的函数关系。
9.根据权利要求8所述的测试薄膜振动频率和流速关系的装置，其特征在于，所述薄膜振动单元进一步包括：振动薄膜和至少一个电极；
所述振动薄膜设置于所述测试腔体中，其具有固定端和自由端，其固定端靠近所述测试腔体的进气口方向设置于所述测试腔体的内壁上，其自由端靠近所述测试腔体的出气口方向设置；所述至少一个电极设置于所述测试腔体的内壁上；
当所述恒定气流经所述测试腔体的进气口和出气口流过所述测试腔体时，所述振动薄膜在所述恒定气流的作用下振动，所述振动薄膜与所述至少一个电极相互接触摩擦产生所述周期性的交流电信号；所述至少一个电极作为所述周期性的交流电信号的输出端；
其中，所述振动薄膜与所述至少一个电极相互接触摩擦的两个表面构成摩擦界面。
10.根据权利要求9所述的测试薄膜振动频率和流速关系的装置，其特征在于，所述进气口的中心位置与所述出气口的中心位置正对；
所述振动薄膜的固定端与所述测试腔体设置有所述进气口的一端的距离大于或者等于所述测试腔体的长度的1/3。
11.根据权利要求9或10所述的测试薄膜振动频率和流速关系的装置，其特征在于，还包括：至少一个高分子聚合物层；
所述至少一个高分子聚合物层设置于所述至少一个电极上，所述至少一个高分子聚合物层与所述振动薄膜相对设置；当所述恒定气流经所述测试腔体的进气口和出气口流过所述测试腔体时，所述振动薄膜在所述恒定气流的作用下振动，所述至少一个高分子聚合物层与所述振动薄膜相互接触摩擦产生所述周期性的交流电信号；
其中，所述高分子聚合物层与所述振动薄膜相互接触摩擦的两个表面构成摩擦界面。
12.根据权利要求11所述的测试薄膜振动频率和流速关系的装置，其特征在于，构成所述摩擦界面的两个表面中的至少一个表面上设有凸起阵列结构。
13.根据权利要求9-12任一项所述的测试薄膜振动频率和流速关系的装置，其特征在于，当所述测试腔体为导电材料，所述测试腔体与所述至少一个电极之间进一步设置有绝缘层；所述测试腔体用于屏蔽外界干扰信号；所述绝缘层用于防止所述测试腔体与所述至少一个电极之间导通；或者，
当所述测试腔体为绝缘材料，所述测试腔体的外部进一步设置有屏蔽层；所述屏蔽层用于屏蔽外界干扰信号。
14.根据权利要求8-13任一项所述的测试薄膜振动频率和流速关系的装置，其特征在于，所述信号处理分析模块进一步包括：信号预处理模块、气流流量控制模块和分析计算模块；
所述信号预处理模块与所述薄膜振动单元相连，用于对所述薄膜振动单元输出的周期性的交流电信号进行预处理；
所述气流流量控制模块与所述气流供给模块相连，用于产生所述气流流量信号，并根据所述气流流量信号控制所述气流供给模块输出预设气流流量的恒定气流；
所述分析计算模块分别与所述信号预处理模块和所述气流流量控制模块相连，用于根据所述信号预处理模块输出的周期性的交流电信号以及所述气流流量控制模块输出的气流流量信号，分析计算所述薄膜振动单元的振动频率和流速的函数关系。
15.根据权利要求14所述的测试薄膜振动频率和流速关系的装置，其特征在于，所述信号预处理模块进一步包括：整流模块、放大模块、滤波模块和模数转换模块；
所述整流模块与所述薄膜振动单元相连，用于对所述薄膜振动单元输出的周期性的交流电信号进行整流处理；
所述放大模块与所述整流模块相连，用于对所述整流模块输出的经整流处理后的脉动的直流电信号进行放大处理；
所述滤波模块与所述放大模块相连，用于滤除所述放大模块输出的经过放大处理后的脉动的直流电信号中的干扰杂波；
所述模数转换模块与所述滤波模块相连，用于将所述滤波模块输出的模拟的脉动的直流电信号转换为对应的数字的脉动的直流电信号输出至所述分析计算模块。
16.根据权利要求14或15所述的测试薄膜振动频率和流速关系的装置，其特征在于，所述分析计算模块根据所述信号预处理模块输出的周期性的交流电信号以及所述气流流量控制模块输出的气流流量信号，应用如权利要求1-7任一项所述的测试薄膜振动频率和流速关系的方法，分析计算所述薄膜振动单元的振动频率和流速的函数关系。
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