CN113237496B - 含前置处理电路的主动式摩擦纳米发电机传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了含前置处理电路的主动式摩擦纳米发电机传感器。所述传感器包括主动式摩擦纳米发电机及与所述摩擦纳米发电机电输出端相连的前置处理电路，所述前置处理电路对所述摩擦纳米发电机的输出电压进行线性衰减，其在高电压、高阻抗的应用条件下，准确输出低电压、低阻抗的电压信号波形。

Description

含前置处理电路的主动式摩擦纳米发电机传感器

技术领域

本发明涉及摩擦纳米发电机传感器的技术领域。

背景技术

主动式传感器在应用中具有诸多优点，如工作时不需要额外的电源来驱动，或可以吸收外界信号中的能量将其转换成电压、电流等方便直接测量的电学信号。其既能节省能量，也能简化安装和测试工作。

摩擦纳米发电机(TENG)是近年来新提出的一种高效机电转换方式，其通过摩擦起电和静电感应的结合，可将多种方式的运动转换成电并且输出电信号，便于设计制作多种主动式传感器，感知加速度、压力、位移等信息，并将其输出为电学量。其还可以应用到振动状态测量、化学与环境测量和生物量测量等方面。

TENG具有包括易于制造，成本低廉，重量轻，组成材料和结构的选择丰富等优点。基于TENG的大部分传感器的输出信号是电压信号，所以电压测量是TENG主动式传感器最重要也是需求量最大的测量手段。然而基于TENG的主动式传感器或能量收集器的输出电压高达几百上千伏，输出阻抗通常在M Ohm级别，在应用中测量其开路电压时，得到的极高电压超出了一般测量设备的测量范围，不仅容易对测量设备造成损坏，同时其高输出阻抗也使得一般的测量设备很难获得真实的开路电压信号波形。这些特点使其很不适宜直接用来做信号采集和分析。目前常用的方式是采用专用仪器设备进行测量和记录，而这对于小型化应用很不方便。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可在高电压、高阻抗的应用条件下，准确输出低电压、低阻抗的电压信号波形的主动式摩擦纳米发电机传感器，其既可使摩擦纳米发电机的高输出电压和高灵敏度得到充分的利用，又可使输出信号直接应用于多种便携式设备中，同时其结构简单、生产成本低。

本发明的目的还在于提出该摩擦纳米发电机的一些应用方法。

本发明首先公开了如下的技术方案：

含前置处理电路的主动式摩擦纳米发电机传感器，其包括主动式摩擦纳米发电机及与所述摩擦纳米发电机电输出端相连的前置处理电路，所述前置处理电路对所述摩擦纳米发电机的输出电压进行线性衰减。

根据本发明的一些优选实施方式，所述主动式摩擦纳米发电机包括接触分离式摩擦纳米发电机(CS-TENG)、转动式摩擦纳米发电机(R-TENG)或滑动式摩擦纳米发电机(LS-TENG)。

根据本发明的一些优选实施方式，所述前置处理电路包括与所述摩擦纳米发电机输出端相连的一级处理电路及与一级处理电路相连的二级处理电路，其中所述一级处理电路为高阻抗采样电路，其对所述摩擦纳米发电机的高电压输出信号进行成比例衰减，并获得高阻抗小电压的采样信号；所述二级处理电路为阻抗转换电路，其将所述高阻抗小电压的采样信号转换为低阻抗输出电压信号。

根据本发明的一些优选实施方式，所述高阻抗采样电路将所述摩擦纳米发电机的高电压输出信号成比例衰减到±10V范围内。

根据本发明的一些优选实施方式，所述高阻抗采样电路将所述纳米摩擦发电机的高阻抗输出电阻转换为高阻抗采样电路的低阻抗输出电阻。

根据本发明的一些优选实施方式，所述高阻抗采样电路为由无源电阻构成的分压网络电路；所述阻抗转换电路为同相比例运算电路。

根据本发明的一些优选实施方式，所述阻抗转换电路包括三极管、MOSFET管及同相运算放大器中的一种或多种。

根据本发明的一些优选实施方式，所述摩擦纳米发电机传感器包括摩擦纳米发电机、一端与摩擦纳米发电机正极相连的第二电阻R₂、与第二电阻R₂另一端及摩擦纳米发电机负极连通的第一电阻R₁、与R₂和R₁连接处A连通的包括运算放大器AMP的跟随器，且满足：R₂+R₁||R_ic+＞99Z_CS，其中，R_ic+表示运算放大器AMP的共模输入阻抗，Z_CS表示摩擦纳米发电机的输出阻抗，||表示并联。

根据本发明的一些优选实施方式，所述摩擦纳米发电机传感器中，R_ic+>>R₁||R₂，且R₂+R₁>>Z_CS，

其中β表示所述采样信号的电压与所述摩擦纳米发电机源信号电压的比值，0＜β＜1；V_s表示所述摩擦纳米发电机的输出电压，I_b+表示运算放大器AMP输入端的输入电流，＞＞表示至少大于100倍被比较者的值，＜＜表示至少小于100倍被比较者的值。

根据本发明的一些优选实施方式，所述主动式摩擦纳米发电机的输出阻抗为10⁷Ω时，R₂为1GΩ-10GΩ。

根据该优选实施方式，所得传感器的输出信号误差在5％范围内。

本发明具备以下有益效果：

本发明的传感器可使得TENG或类似的具有高阻抗高电压特点的发电元件在无需特定的测量仪器的测量与转换下得到广泛地、便携式的应用。

本发明的传感器中，前置电路可进行精准的高电压信号采样和阻抗变换，从而获得具有低电压和低阻抗并且与源信号高度线性相关的处理后电压，能够直接输出给通用的电子测量设备进行测量和应用。

本发明的传感器中，前置电路中的一级处理电路对信号源的输出电压的影响小，使得到的采样精度较高。二级处理电路可使输出的采样信号具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点，也对测量精度的提升起到积极作用，同时便于通用的后级电路对接。

附图说明

图1为本发明的一种摩擦纳米发电机传感器的应用示意图。

图2为本发明的一种摩擦纳米发电机传感器的结构示意图。

图3为具体实施方式所述理论计算下由输入阻抗和运放偏置分别电流引起的误差。

图4为具体实施方式所述总体误差理论值和软件仿真值对比。

图5为实施例1所述接触分离式TENG结构示意图。

图6为实施例1所述接触分离式TENG在1Hz，2Hz，3Hz三种工作频率条件下进行测量的开路电压时域波形。

图7为实施例1所述接触分离式TENG在1Hz工作频率条件下的电压负载特性。

图8为实施例1所述接触分离式TENG在不同R₁、R₂阻值情况下输出电压情况。

图9为实施例1所述接触分离式TENG前置电路测量误差。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。

根据本发明的技术方案，一种具体的实施方式包括如附图1所示的应用示意图，该传感器包括摩擦纳米发电机和前置处理电路，并可进一步的与一般电子测量设备相连，其中前置处理电路包括作为一级处理电路的高阻抗采样电路及作为二级处理电路的阻抗变换电路。

在上述实施方式下，一级处理电路对摩擦纳米发电机的输出的源信号进行高阻抗采样，当其输入阻抗值大于TENG传感器内阻100倍以上时，采样所得电压小于源信号的电压，且与源信号电压之比为β，如β＝0.01，即采样信号为源信号电压值的0.01倍。通过一级高阻抗采样之后，输出的信号电压波形与源信号开路电压波形相似，其幅度远小于源信号电压幅度，且与之呈线性比例缩小的关系。

在经过第一级高阻抗采样之后的信号幅度满足了一般测量设备的范围，但其阻抗还是相对较高，在第二级处理对高阻抗采样过后的信号进行阻抗转换后可将低电压高阻抗的采样信号，转换为低电压低阻抗的信号进行输出，这样就能满足一般的电子测量设备对波形信号进行采集和测量，二级处理电路有较高的输入阻抗和较低的输出阻抗。

该系统无论是对单端电压信号还是差分电压信号的测量都适用，可解决摩擦纳米发电机输出电压信号的高电压和高阻抗特性带来的输出误差问题。

进一步的，根据本发明的技术方案，一种具体的实施方式包括如附图2所示的结构，该结构包含负极接地的摩擦纳米发电机，及与其相连的两级前置处理电路，其中一级处理电路包括一端与摩擦纳米发电机正极相连的第二电阻R₂、与第二电阻R₂另一端相连且接地的第一电阻R₁，二级处理电路为与R₂和R₁连接处A连通的跟随器，其具体包括一端与连接处A相连、另一端接地的第三电阻R_ic+，与R_ic+相连的同相运算放大器，在以上结构中，对于一级处理电路，有：

其中，V_o表示前置处理电路的输出电压，V_s表示TENG的输出电压；

衰减系数为：

/>

其总的阻抗为：

Z_loop＝Z_CS+R₂+R₁||R_ic+，

其中，Z_CS表示CS-TENG的输出阻抗，R_ic+表述运算放大器的共模输入阻抗，||表示并联；

前置电路的输入阻抗为：

R_in＝R₂+R₁||R_ic+；

根据KCL定理，可以计算出接入前置处理电路后，TENG给前置处理电路的输入电压为：

发明人意外地发现，当R₂+R₁||R_ic+>>Z_cs时，前置电路对TENG源输出影响程度较小，当R_ic+>>R₂时，R₁||R_ic+≈R₁即满足R₂+R₁＞＞Z_cs，即此时分压网络所使用的电阻值R₂+R₁之和远大于传感器信号源内阻抗Z_cs。发明人意外地发现，在R₂+R₁||R_ic+＞99Z_CS时，传感器的前置处理电路的信号处理度可达到1％。

在以上结构中，对于二级处理电路有：

对于采样节点A，根据KCL定理可以得到：

其中，V′_out表示考虑运算放大器AMP偏置电流时，节点A处的电压，I_b+表示同相输入端的输入电流即运算放大器偏置电流。

考虑运放的输入失调电压在内，则有：

V′_o＝V′_out-V_os，

其中，V′_o表示考虑运算放大器AMP的输入失调电压时，运算放大器的输出电压，V_os表示输入失调电压；

最终获得的实际电压值可表示为：

令

R_z＝R₁||R_ic+||(R₂+Z_CS)

定义理想的测量电压值与实际测试电压值的差为：

各项误差分别为：

/>

式中第一项δ_Rin反映的是传感器源内阻引起的误差，第二项

主要是运放的输入偏置电流引起的误差，第三项/>

为运放输入失调电压引起的误差。

发明人意外地发现，若衰减倍数较大，即

当R₁较小的时候，即R₁＜＜R_ic+，第一项引起的误差占主导作用。当R₁接近R_ic+的时候，第一项约等于0，第二项可以简化为

R₁引起的误差变大，同时源电压也会影响这部分误差大小，/>

误差与源电压成反比关系。第三项误差为/>

与衰减系数成反比，与测量电压大小成反比，TENG的输出电压越小，误差则会越大，且它不随着采样网络电阻值变化，运放的输入失调电压通常在uV～mV量级，可以使用一定的方法来修正，但难以完全消除。

发明人意外地发现，当R_ic+>>R₁||R_：，且R_：+R₁>>Z_CS，

时，所得综合测量误差最小。

在上述实施方式下，通过spice软件进行了如下的仿真实验：

假设所述传感器的输出电压为100V，包括内阻抗分别为10⁷Ohm和10⁸Ohm的TENG，使用的运放参数如下表1所示：

表1

元件	含义	数值	单位
				Ric+	同相输入端的共模阻抗	1013	Ohm
Ric-	反相输入端的共模阻抗	1013	Ohm
				Ib+	同相输入端的输入电流	25	pA
Ib-	反相输入端的输入电流	15	pA
				Vos	输入失调电压	1.3	mV
Ao	开环增益	112	dB

衰减系数为

随着R₁取值的变化，得到如附图3所示的理论计算下由输入阻抗和运放偏置分别电流引起的误差，如附图4所示的总体误差理论值和软件仿真出来的总体误差。

可以看出，理论计算和仿真吻合较好。对于信号源的阻抗为

Z_CS＝10⁷Ohm的TENG，R₁取值范围为10⁷～10⁹Ohm才能保证测量误差在1％以内；对于Z_CS＝10⁸Ohm，R₁取值范围为10⁸～10⁹Ohm才能保证测量误差在1％以内。

实施例一

在传感器中，使用如附图5所示的接触-分离式TENG，其包括1亚克力板、2衬底、3铜箔、4PTFE、5泡沫，其中上面的摩擦起电层4的材料为PTFE，并在背后附铜箔作为上电极，下面的摩擦层材料为铜箔，为了保证两个摩擦面充分接触，在这层铜箔下面还附加了一个绝缘的泡沫缓冲层。上下两个功能部件分别粘接在一个正方形的亚克力板上，两个亚克力板之间由弹簧连接。其工作原理为：当外力施加在上下层之间，迫使PTFE和下面的铜箔接触，由于接触起电效应，铜箔上的电子被吸引到了PTFE薄膜上，由于两者充分接触，总的静电荷为零(I)；当外力撤销时，铜箔层和PTFE层在弹簧的作用下分开，此时PTFE净电荷密度为-σ，铜箔净电荷密度为+σ，会在两个电极之间感应出电势差(II)，忽略弹簧恢复过程的震颤，当弹簧恢复到原位时，两个带电层的距离达到最大x＝xmax时，两个电极之间的电势差达到最大值，也就是开路电压V_oc(III)；当外力再次施加到器件的上下两层，两个带电层在外力驱动下相互靠近，这时候两个电极之间的电势差逐渐减小(IV)；当PTFE和铜箔层再次接触的时候，两个界面的电荷中和，电势差减小为0，再次恢复到(I)。

对上述TENG的开路电压在1Hz，2Hz，3Hz三种工作频率条件下进行测量，测量结果其开路电压分别达到了110V，112V和130V，其时域波形如图6所示，对其在不同负载电阻下的电压进行了测量，结果如图7所示，可以看到，在负载阻抗为10⁷～10⁹Ohm之间时，其输出电压剧烈变化，由此可以得出器件的内阻抗约为10⁸Ohm左右，三种频率下变化曲线略有差异。

在所述传感器中采用具体实施方式中如附图2所示的前置电路与该TENG相连，其中各参数如下表2所示：

表2

在上述不同四种不同阻值分配下，可得到如附图8所示的输出电压对比情况，可以看出，R₂＝100G Ohm和R₂＝10GOhm时，传感器的输出电压V_o和TENG输出电压V_IN的波形形状基本与开路波形一致，V_IN幅度也基本与开路电压一致，V_o幅度被成功衰减到了1V以内。R₂＝1GOhm和R₂＝100M Ohm时，传感器的输出电压V_o和TENG输出电压V_IN的波形相对于开路电压波形发生了比较大的变化，V_IN幅度也有较明显的衰减，V_o幅度也被成功衰减到了1V以内。其中R₂＝100M Ohm时发生的变化更大，V_IN输出幅度衰减也越大。

将输出电压V_o按照表2中的衰减系数进行波形还原，并与开路输出电压波形进行对比，计算出相对误差，其结果如图9所示。可以看到，当R₂＝10G Ohm和R₂＝1GOhm时，输出的误差较小，大部分都在5％以内；当R₂＝100M Ohm时，由于负载效应较明显，误差增加至20％以上；当R₂＝100G Ohm时，误差均达到了5％以上。不同工作频率下，当R₂＝10GOhm和R₂＝1GOhm，R₂＝100G Ohm时，误差差别不是很明显，但是R₂＝100M Ohm，频率越小误差越大。

以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.含前置处理电路的主动式摩擦纳米发电机传感器，其特征在于：其包括主动式摩擦纳米发电机及与所述主动式摩擦纳米发电机电输出端相连的前置处理电路，所述前置处理电路对所述主动式摩擦纳米发电机的输出电压进行线性衰减；其中，所述前置处理电路包括与所述主动式摩擦纳米发电机输出端相连的一级处理电路及与一级处理电路相连的二级处理电路，其中所述一级处理电路为高阻抗采样电路，其对所述主动式摩擦纳米发电机的高电压输出信号进行成比例衰减，并获得高阻抗小电压的采样信号；所述二级处理电路为阻抗转换电路，其将所述高阻抗小电压的采样信号转换为低阻抗输出电压信号；所述高阻抗采样电路将所述主动式摩擦纳米发电机的高电压输出信号成比例衰减到±10V范围内，将所述主动式纳米摩擦发电机的高阻抗输出电阻转换为高阻抗采样电路的低阻抗输出电阻；所述高阻抗采样电路为由无源电阻构成的分压网络电路；所述阻抗转换电路为同相比例运算电路；具体的，所述主动式摩擦纳米发电机传感器包括主动式摩擦纳米发电机、一端与主动式摩擦纳米发电机正极相连的第二电阻R₂、与第二电阻R₂另一端及主动式摩擦纳米发电机负极连通的第一电阻R₁、与R₂和R₁连接处A连通的包括运算放大器AMP的跟随器，且满足：R₂+R₁||R_ic+＞99Z_CS，其中，R_ic+表示AMP的共模输入阻抗，Z_CS表示主动式摩擦纳米发电机的输出阻抗，||表示并联。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述主动式摩擦纳米发电机包括接触分离式摩擦纳米发电机、转动式摩擦纳米发电机或滑动式摩擦纳米发电机。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述主动式摩擦纳米发电机传感器中，R_ic+＞＞R₁||R₂，且R₂+R₁＞＞Z_CS，

其中β表示所述采样信号的电压与所述主动式摩擦纳米发电机源信号电压的比值，0＜β＜1；V_s表示所述主动式摩擦纳米发电机的输出电压，I_b+表示AMP输入端的输入电流，＞＞表示至少大于100倍被比较者的值，＜＜表示至少小于100倍被比较者的值。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述主动式摩擦纳米发电机的输出阻抗为10⁷Ω时，R₂为1GΩ-10GΩ。

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