CN112669488B - 基于摩擦纳米发电机和lc传感的金属产品计数分选方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于摩擦纳米发电机和LC传感的金属产品计数分选方法。现有传感技术成本高。本发明的摩擦纳米发电机自供能模块将转轴机械能转化为电能，为谐振探测传感电路供电；信号采集电路采集谐振探测传感电路输出的衰减谐振信号并传给电脑；电脑计算并存储谐振探测传感电路的谐振频率随时间变化的数据，且电脑预先存储有不同高度规格金属产品经过传感元件电感所对应的谐振探测传感电路谐振频率尖峰范围，当金属产品经过传感元件电感时，电脑根据谐振探测传感电路的谐振频率尖峰值，确定通过传感元件电感的金属产品高度规格，实现分选，并对各不同高度规格金属产品的数量进行计数。本发明不需提供直流电源和传感器件，成本低。

Description

基于摩擦纳米发电机和LC传感的金属产品计数分选方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种基于摩擦纳米发电机和LC传感的金属产品计数分选方法。

背景技术

传统工厂流水线上产品进行计数，主要采取红外激光发射加光电管作为接收的方式，当传送带上产品经过激光时，会遮住光电管的接收，从而在光电管的集电极上输出正脉冲，通过单片机或者PLC或者数字计数芯片对正脉冲计数，可以获取某段时间内产品的个数。又或者是采取图像识别技术，利用摄像机对产品实时监控记录，通过目标检测算法，获取包含产品的关键帧图像，并对图像数量进行计数，也可以获取产品数量。无论哪种方法，虽然提升了工厂自动化水平，但都需要较为昂贵的传感器件，还需要实时提供直流电源，同时还需要电源管理、A/D转换等复杂模拟电路，增加了工厂的成本。

摩擦纳米发电机，作为一种新型的纳米能源，可以将传感器周围环境的机械振动(如走路，说话，敲击键盘)转化为电能，具有体积小，性能高，成本低的优点，适用于低功耗移动设备或者微型传感器供电。因此，若能把摩擦纳米发电机与工厂自动化相结合，为金属产品的计数分选提供全新的技术解决方案，将带来极大的经济效益。

发明内容

本发明的目的是针对现有传感供能技术的不足，为工厂自动化生产的智能传感监测提供全新的解决方案，提出一种基于摩擦纳米发电机和LC传感的金属产品计数分选方法，不再需要直流电源模块，将摩擦纳米发电机直接作为供能源，为后级探测传感电路提供能量，实现对不同规格金属产品进行分选与计数，电路简单，传感速度快，且避免使用昂贵的传感器件和电源管理、A/D转换等复杂模拟电路，成本低，极易维护。

本发明基于摩擦纳米发电机和LC传感的金属产品计数分选方法，具体如下：

步骤一、搭建计数分选自供能传感系统；所述的计数分选自供能传感系统包括摩擦纳米发电机自供能模块、谐振探测传感电路和信号采集电路。所述的摩擦纳米发电机自供能模块与传送带机构的转轴固定；摩擦纳米发电机自供能模块的输出端接谐振探测传感电路的输入端；谐振探测传感电路由传感元件电感L和电容C并联而成；所述的传感元件电感L固定在机架上，并位于传送带机构上方；信号采集电路的输入端与谐振探测传感电路的输出端连接，信号采集电路的输出端接电脑。

步骤二、启动传送带机构，传送带机构传输金属产品；摩擦纳米发电机自供能模块将传送带机构的转轴机械能转化为电能，为谐振探测传感电路供电；信号采集电路采集谐振探测传感电路输出的衰减谐振信号并传给电脑进行处理；电脑计算并存储谐振探测传感电路的谐振频率随时间变化的数据，且输出谐振探测传感电路的谐振频率随时间变化的图像；电脑预先存储有不同高度规格金属产品经过传感元件电感L所对应的谐振探测传感电路谐振频率尖峰范围，当金属产品经过传感元件电感L时，电脑根据谐振探测传感电路的谐振频率尖峰值，确定通过传感元件电感的金属产品高度规格，实现分选，并对各不同高度规格金属产品的数量进行计数。

作为优选，所述的电脑根据各不同高度规格金属产品的数量得到金属产品的总数量。

作为优选，所述的传感元件电感L采用空芯电感。

作为优选，所述传感元件电感L的电感值为500微亨至1毫亨。

作为优选，所述电容C的电容值为0到20微法。

作为优选，所述的传感元件电感L与传送带机构顶面的距离不超过50毫米，保证有效传感距离。

作为优选，所述信号采集电路的采样周期小于100毫秒，以保证绘制的谐振频率波形满足不失真所需的周期点数。

本发明具有的有益效果：

本发明由于结合摩擦纳米发电机新型纳米能源，直接随传送带机构的转轴转化机械能为电能，为谐振探测传感电路提供能量，不再需要外界提供电能。同时谐振探测传感电路结构简单，仅为并联LC构成的谐振电路，直接对模拟信号进行快速傅里叶变换就可以提取需要的传感信息，省去了A/D转换电路。当流水线金属产品在经过传感元件电感下方时，改变传感信号的谐振频率，在电脑端口上就可以捕捉到频率的跳变，作为金属产品的计数，同时对比预先存储的不同高度规格金属产品经过传感元件电感所对应的谐振探测传感电路的谐振频率变化范围，就可以对不同高度规格的金属产品进行分选，这是利用红外传感技术无法实现的功能。因此，本发明为金属产品的计数分选提供了全新的解决方案，不再需要工厂额外提供直流电源，购买较为昂贵的传感器件(如摄像机等等)，而是利用摩擦纳米发电机提供能量，简单LC谐振电路构成传感电路，实现对金属产品的计数及分选。另外，本发明还可以应用于零件探伤、厚度检测等场景，降低工厂生产成本，提高工厂的自动化水平。

附图说明

图1是本发明搭建的计数分选自供能传感系统示意图。

图2是本发明中摩擦纳米发电机自供能模块、谐振探测传感电路和传送带机构的位置关系示意图。

图3a是没有罐头经过传感元件电感时谐振探测传感电路输出的衰减谐振信号时域图。

图3b是图3a经快速傅里叶变换后的频谱图。

图4a是随罐头靠近传感元件电感的距离变化的传感信号频谱图。

图4b是随罐头远离传感元件电感的距离变化的频谱图。

图4c是谐振探测传感电路的谐振频率随罐头与传感元件电感的距离变化示意图。

图5是随通过传感元件电感的罐头高度规格变化的传感信号频谱图。

图6是两类不同高度规格罐头相继通过传感元件电感探测到的谐振频率随时间变化的关系图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明基于摩擦纳米发电机和LC传感的金属产品计数分选方法，具体如下：

参见图1和图2，步骤一、搭建计数分选自供能传感系统；计数分选自供能传感系统包括摩擦纳米发电机自供能模块1、谐振探测传感电路2和信号采集电路3。摩擦纳米发电机自供能模块1与传送带机构4的转轴固定；摩擦纳米发电机自供能模块1的输出端接谐振探测传感电路2的输入端；谐振探测传感电路2由传感元件电感L和电容C并联而成；传感元件电感L固定在机架上，并位于传送带机构上方；信号采集电路3的输入端与谐振探测传感电路2的输出端连接，信号采集电路3的输出端接电脑。

步骤二、启动传送带机构，传送带机构传输金属产品(比如罐头)；摩擦纳米发电机自供能模块1将传送带机构的转轴转动机械能转化为电能，为谐振探测传感电路2供电，实现自供能；信号采集电路3采集谐振探测传感电路2输出的衰减谐振信号并传给电脑进行处理；电脑计算并存储谐振探测传感电路2的谐振频率随时间变化的数据，且输出谐振探测传感电路2的谐振频率随时间变化的图像。由电涡流传感器原理可知，金属产品经过传感元件电感L时改变传感元件电感L的实际等效电感和内阻，提高谐振探测传感电路2的谐振频率，在谐振探测传感电路2的谐振频率随时间变化的数据中形成一个谐振频率尖峰值，且不同高度规格金属产品经过传感元件电感L形成谐振探测传感电路2的谐振频率尖峰值不同；因此，预先得到不同高度规格金属产品经过传感元件电感L所对应的谐振探测传感电路2谐振频率尖峰范围并存储于电脑，当金属产品经过传感元件电感L时，电脑根据谐振探测传感电路2的谐振频率尖峰值，确定通过传感元件电感的金属产品高度规格，实现分选，并对各不同高度规格金属产品的数量进行计数。优选地，电脑根据各不同高度规格金属产品的数量得到金属产品的总数量。

下面以罐头传输为例，说明本发明的计数和分选效果。

没有罐头经过传感元件电感L时谐振探测传感电路2输出的衰减谐振信号时域图参见图3a，其中横坐标为时间t(单位us)，纵坐标为电压幅值A(单位V)，相邻两个波峰之间的间隔时间为衰减谐振信号的周期，倒数即是谐振频率，当罐头经过传感元件电感L时，会缩短对应的间隔时间，增大谐振频率；由于直接通过观测谐振信号的疏密程度来表征谐振频率较不直观，可以将图3a经快速傅里叶变换得到传感信号频谱图，其中横坐标为频率F(单位MHz)，纵坐标为功率P(单位dBm)，参见图3b，通过获取频谱图最大功率值对应的横坐标得到谐振频率；图3b中功率值最大为37，其对应横坐标值752KHz即为谐振探测传感电路2的谐振频率。

图4a为罐头与距离传感元件电感L的水平距离为-50mm、-30mm、-10mm和0mm时所对应的频谱图，图4b为罐头与传感元件电感L的水平距离为0mm、10mm、30mm和50mm时所对应的频谱图，其中距离为负代表罐头由传送带机构4输入端向传感元件电感L靠近，正值代表罐头逐渐远离传感元件电感L，距离为0代表罐头处在传感元件电感L正下方。可见，当罐头靠近传感元件电感L时会使得频谱波形整体发生右移，当罐头远离传感元件电感L时会使得频谱波形整体发生左移，这是由于在罐头靠近传感元件电感L时，会逐渐增大其电感值的衰减量，导致对应的谐振频率增大，而远离时则相反。图4c为罐头与距离传感元件电感L的水平距离为-50mm、-30mm、-10mm、0mm、10mm、30mm和50mm时谐振频率的离散图，可以看到的是，当罐头处在传感元件电感L正下方(0mm处)时，谐振频率达到最大值。通过图4a、图4b和图4c的数据，验证了罐头经过传感元件电感L时，会对谐振探测传感电路2的谐振频率产生变化，且当罐头处在传感元件电感L正下方时谐振频率达到最大值。

图5为不同高度规格的罐头经过传感元件电感LL时所采集到的传感信号频谱图，箭头上的数字代表罐头的高度，当罐头经过传感元件电感L正下方时，谐振频率的跳变将达到最大值(频谱尖峰位置)。可见，当罐头高度从100mm、110mm、120mm到130mm逐渐增加时，频谱尖峰向右偏移，对应的谐振频率就越大。因此，通过图4a、图4b、图4c和图5表明，当罐头经过传感元件电感L时都会使得谐振探测传感电路2的谐振频率发生跳变，且产生一个尖峰，作为罐头计数的依据，而不同高度规格的罐头，对应尖峰的高度不同，通过对不同高度分类统计，作为罐头分选的依据。图6为高度规格100mm(直径65mm)的罐头A和高度规格115mm(直径65mm)的罐头B相继通过传感元件电感L的实时传感结果，其中横坐标为时间，纵坐标为谐振频率，在0-45秒内，罐头A和罐头B均4次通过传感元件电感L，罐头A和罐头B交替通过，读取到的尖峰个数为8个，与通过罐头总个数相对应；不同范围的尖峰分为两组，各4个，与罐头A和罐头B两种规格个数相对应。因此，对尖峰个数的统计，能实现罐头计数与分选。

本发明计数分选方法还可以用于高速旋转机械的转速检测，材料涂层厚度检测，电涡流探伤等等的实时传感。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于摩擦纳米发电机和LC传感的金属产品计数分选方法，其特征在于：该方法具体如下：

步骤一、搭建计数分选自供能传感系统；所述的计数分选自供能传感系统包括摩擦纳米发电机自供能模块、谐振探测传感电路和信号采集电路；所述的摩擦纳米发电机自供能模块与传送带机构的转轴固定；摩擦纳米发电机自供能模块的输出端接谐振探测传感电路的输入端；谐振探测传感电路由传感元件电感L和电容C并联而成；所述的传感元件电感L固定在机架上，并位于传送带机构上方；信号采集电路的输入端与谐振探测传感电路的输出端连接，信号采集电路的输出端接电脑；

步骤二、启动传送带机构，传送带机构传输金属产品；摩擦纳米发电机自供能模块将传送带机构的转轴机械能转化为电能，为谐振探测传感电路供电；信号采集电路采集谐振探测传感电路输出的衰减谐振信号并传给电脑进行处理；电脑计算并存储谐振探测传感电路的谐振频率随时间变化的数据，且输出谐振探测传感电路的谐振频率随时间变化的图像；电脑预先存储有不同高度规格金属产品经过传感元件电感L所对应的谐振探测传感电路谐振频率尖峰范围，当金属产品经过传感元件电感L时，电脑根据谐振探测传感电路的谐振频率尖峰值，确定通过传感元件电感的金属产品高度规格，实现分选，并对各不同高度规格金属产品的数量进行计数。

2.根据权利要求1所述基于摩擦纳米发电机和LC传感的金属产品计数分选方法，其特征在于：所述的电脑根据各不同高度规格金属产品的数量得到金属产品的总数量。

3.根据权利要求1或2所述基于摩擦纳米发电机和LC传感的金属产品计数分选方法，其特征在于：所述的传感元件电感L采用空芯电感。

4.根据权利要求1或2所述基于摩擦纳米发电机和LC传感的金属产品计数分选方法，其特征在于：所述传感元件电感L的电感值为500微亨至1毫亨。

5.根据权利要求1或2所述基于摩擦纳米发电机和LC传感的金属产品计数分选方法，其特征在于：所述电容C的电容值为0到20微法。

6.根据权利要求1或2所述基于摩擦纳米发电机和LC传感的金属产品计数分选方法，其特征在于：所述的传感元件电感L与传送带机构顶面的距离不超过50毫米。

7.根据权利要求1或2所述基于摩擦纳米发电机和LC传感的金属产品计数分选方法，其特征在于：所述信号采集电路的采样周期小于100毫秒。

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