CN113341213A - 一种单电源供电的便携式摩擦纳米发电机传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单电源供电的便携式摩擦纳米发电机传感器，该传感器包括：摩擦纳米发电机，与所述摩擦纳米发电机相连的、对所述摩擦纳米发电机进行电压信号采样的采样电路，在通过采样电路获得的采样电压上产生与其叠加的直流正电压的偏置电路及单电源，和对所述采样电压与所述叠加的直流正电压进行同相放大的第一运算放大器。本发明的传感器采用单电源供电，能够快捷便利、准确地进行信号的即时处理，利于便携应用，且适用性强。
Description
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
在对基于摩擦纳米发电机(TENG)的传感器进行电压测量时，现有技术并未考虑运放的工作电压，而采用的是通用的设计方案，即正负双电源供电的测量电路。但是在实际运用中，特别是便携式设备和可穿戴设备上，双电源供电多有不便，因此通过单电源供电是更好的选择。
在考虑单电源供电的解决方案时，一种可用的手段是采用单轨电源，然后结合负电源产生电路，将单电源转换为双电源供电。该手段会产生这样几个问题：第一，额外增加负电源产生芯片，增加电源电路的复杂度；第二，由于需要负电压产生电路来转换电压，会使电路的功耗增加；第三，即使加入了负电源，输出信号同样也是双极性，即包含正负信号，不适合直接输入ADC来测量，而需要再将其电压抬升到ADC可以测量的范围内，这也会增加测量电路复杂度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单电源供电的便携式摩擦纳米发电机传感器，其可通过单电源供电，及快速、准确、不需专用设备转换的电压自测量实现便携式应用。
本发明首先提出了如下的技术方案：
一种单电源供电的便携式摩擦纳米发电机传感器，其包括：摩擦纳米发电机，与所述摩擦纳米发电机相连的、对所述摩擦纳米发电机进行电压信号采样的采样电路，在通过采样电路获得的采样电压上产生与其叠加的直流正电压的偏置电路及单电源，和对所述采样电压与所述叠加的直流正电压进行同相放大的第一运算放大器。
根据本发明的一些优选实施方式，所述便携式摩擦纳米发电机传感器还包括对所述偏置电路进行稳压滤波的稳压滤波电路。
根据本发明的一些优选实施方式，所述便携式摩擦纳米发电机传感器包括：摩擦纳米发电机，第一电阻R1、第二电阻R2、偏置电阻RREF、第一运算放大器及单电源；其中，所述第二电阻R2的一端连接所述摩擦纳米发电机的A端、另一端分别连接第一电阻R1及第一运算放大器的同相输入端，第一电阻R1的另一端与所述摩擦纳米发电机的B端连接后接地，在第一运算放大器的同相输入端还连接有偏置电阻RREF，RREF的另一端连接所述单电源正极，第一运算放大器的反相输入端与输出端连接，所述单电源负极接地。
根据本发明的一些优选实施方式，所述第一电阻R1、第二电阻R2及偏置电阻RREF中，R2＝99R1，RREF＝R1。
根据本发明的一些优选实施方式，所述便携式摩擦纳米发电机传感器包括：摩擦纳米发电机，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、偏置电阻RREF、电容器C1、第一运算放大器AMP1、第二运算放大器AMP2及单电源；其中，所述第二电阻R2的一端连接所述摩擦纳米发电机的A端、另一端分别连接所述第一运算放大器AMP1的同相输入端及所述第一电阻R1，所述第一电阻R1的另一端连接所述摩擦纳米发电机B端后接地，在所述第一运算放大器AMP1的同相输入端还连接有所述偏置电阻RREF，所述偏置电阻RREF的另一端连接所述第二运算放大器AMP2中相互连通的反向输入端和输出端，所述第二运算放大器AMP2的同相输入端分别连接所述第三电阻R3、所述第四电阻R4和所述电容器C1，所述第三电阻R3的另一端连接所述单电源正极，第四电阻R4的另一端与电容器C1的另一端连接后接地，所述单电源负极接地。
根据本发明的一些优选实施方式，所述第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4及偏置电阻RREF中，R2＝99R1，RREF＝R1，R3＝0.25-0.3R1，R4＝0.05R1。
根据本发明的一些优选实施方式，所述电容器C1为1-10uF。
根据本发明的一些优选实施方式，所述摩擦纳米发电机选自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中的任一种。
本发明具有以下有益效果：
本发明的便携式摩擦纳米发电机传感器可对具有高阻抗高电压特点的摩擦纳米发电机或类似元件进行直接利用，自行产生对摩擦纳米发电机输出的高电压信号的精准采样和阻抗变换，在后续应用中不再需要通过专用设备对摩擦纳米发电机进行电压信号处理，可直接在高电压、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，实现摩擦纳米发电机的便携式应用。
本发明的传感器在输出高精度的摩擦纳米发电机电压信号采样之外，还能够直接将通过摩擦纳米发电机获得的电信号变为正的输出，具有低电压、低阻抗并且与源信号高度线性相关的优势。
本发明的传感器包括同相加法的形式，输入阻抗高、输出阻抗低，对输出信号的精度起到积极的提升作用，同时便于与后续应用，如添加后级电路，进行对接。
本发明的传感器采用单电源供电的方式，能够快捷便利地为大多数电子测量系统提供信号处理，适用性强。
在本发明的一些实施方式中，通过高阻抗分压采样、加入跟随器缓冲等手段，进一步减少了外加电路对输入阻抗等的影响，提高了输出信号精度。
附图说明
图1为具体实施方式所述的一种具体的传感器电路连接图。
图2为具体实施方式所述的另一种具体的传感器电路连接图。
图3为实施例1所述的检测对比图。
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，一种具体的单电源供电的便携式摩擦纳米发电机(TENG)传感器为如附图1所示的结构，其中，TENGB端接地、A端连接电阻R2，R2的另一端分别连接第一运算放大器的同相输入端及电阻R1，R1的另一端接地，在第一运算放大器的同相输入端还连接有偏置电阻RREF，RREF的另一端连接电源电压正极，电源电压负极接地，第一运算放大器的反相输入端与输出端连接。
其中，R2和R1形成高阻抗电压信号采样电路，可将TENG输出的电压信号按照线性比例采样，采样后的电压VIN叠加直流偏置后接入同相放大电路，实现单电源供电测量。
具体的，在采样后的电压的基础上叠加一个直流正电压VREF，其通过偏置电阻RREF后接入运算放大器的同相输入端，放大器在该电压VREF及正电源电压VCC作用下输出测量电压Vout，选择合适的正电压VREF可使运算放大器的各个工作端的电压均在0-VCC之间。
其中，叠加的直流电压VREF优选设置使得运放AMP1同相输入端电压为Vcc/2左右，由此可使运算放大器获得最好的线性度和最大的动态范围。
在以上结构下，当TENG信号输入为零时，运算放大器同相输入端电压即为电路的静态工作点电压，其值为：
当TENG信号输入不为零时，电路相对于摩擦纳米发电机的输入阻抗为：
Rin＝R2+R1||RREF，
可得到最终的输出电压为：
可以看出，该电路在输出中给信号叠加了一个直流偏置，选择合适范围的偏置电压，及合适范围内的衰减倍数设置，便可将输出信号控制在0～Vcc范围内。既能保证电路的单电源供电，也能获得较好的线性范围和动态范围。
在一些具体实施方式中，电阻可进行如下的设置：R2＝99R1，RREF＝R1。
为减少该电路中可能存在的误差和噪声引入，另一种具体实施方式采用如附图2所示的改进后的结构，其中，TENGB端接地、A端连接电阻R2，R2的另一端分别连接第一运算放大器AMP1的同相输入端及电阻R1，R1的另一端接地，在第一运算放大器AMP1的同相输入端还连接有偏置电阻RREF，RREF的另一端连接第二运算放大器AMP2相互连通的反向输入端和输出端，第二运算放大器AMP2的同相输入端分别连接电阻R3、R4和电容器C1，R3的另一端连接电源电压正极，R4的另一端接地，电容器C1的另一端接地，电源电压负极接地。
在上述结构中，电阻R2和R1对摩擦纳米发电机的输出信号进行采样，电阻R4和R3构成分压器，产生一个直流电压VDIV，第二运算放大器AMP2形成一个电压跟随器，输出电压VREF与VDIV相等，运算放大器AMP1与电阻RREF、R1和R2形成一个加法电路，使最终的输出为从摩擦纳米发电机采样的电压和VREF的线性叠加。
该传感器在应用时，不将电源电压直接引入到同相输入端，而是通过电阻分压器，从电源获得一个特定的电压值VDIV，经过电容稳压和滤除杂波之后，再通过电压跟随器产生参考电压VREF＝VDIV，由于电压跟随器的输出阻抗接近于零，VREF端口的对地阻抗接近于零，则VREF可以再通过电阻RREF引入到前级衰减测量电路的同相输入端。由于分压电路产生的电压VDIV是经过电容滤波的，而电压跟随器由具有较高的电源抑制比，因此可将电源引入的噪声降低，使测量精度更高。
其最终的输出电压可以表示为：
实施例一
选择如附图2所示的优选结构，其中，采样电阻远大于传感器的源阻抗RZ，即R2+R1＞＞RZ。相比于如附图1所示的优选结构而言，该结构引入的参考电压VREF具有较高的电源抑制比，测量精度更高。设定测量输出电压为100V左右，内阻抗分别为10M Ohm的TENG传感器输出电压，取R2＝1GΩ，R1＝20MΩ，RREF＝20MΩ，R3＝5.1MΩ，R4＝1MΩ，C1＝1uF，采用示波器或者模拟信号采集装置观看该传感器的输出，另外，使用静电计对输出信号直接测量并记录波形。两种测量方式测量结果对比如图3所示，可以看出，当R2＝1GΩ时，经过电路后的输出波形，和用静电计直接测量器件的输出波形基本一致，误差较小。
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 (8)
1.一种单电源供电的便携式摩擦纳米发电机传感器，其特征在于：包括：摩擦纳米发电机，与所述摩擦纳米发电机相连的、对所述摩擦纳米发电机进行电压信号采样的采样电路，在通过采样电路获得的采样电压上产生与其叠加的直流正电压的偏置电路及单电源，和对所述采样电压与所述叠加的直流正电压进行同相放大的第一运算放大器。
2.根据权利要求1所述的便携式摩擦纳米发电机传感器，其特征在于：其还包括对所述偏置电路进行稳压滤波的稳压滤波电路。
3.根据权利要求1所述的便携式摩擦纳米发电机传感器，其特征在于：其包括：摩擦纳米发电机，第一电阻R1、第二电阻R2、偏置电阻RREF、第一运算放大器及单电源；其中，所述第二电阻R2的一端连接所述摩擦纳米发电机的A端、另一端分别连接第一电阻R1及第一运算放大器的同相输入端，第一电阻R1的另一端与所述摩擦纳米发电机的B端连接后接地，在第一运算放大器的同相输入端还连接有偏置电阻RREF，RREF的另一端连接所述单电源正极，第一运算放大器的反相输入端与输出端连接，所述单电源负极接地。
4.根据权利要求3所述的便携式摩擦纳米发电机传感器，其特征在于：所述第一电阻R1、第二电阻R2及偏置电阻RREF中，R2＝99R1,RREF＝R1。
5.根据权利要求1所述的便携式摩擦纳米发电机传感器，其特征在于：其包括：摩擦纳米发电机，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、偏置电阻RREF、电容器C1、第一运算放大器AMP1、第二运算放大器AMP2及单电源；其中，所述第二电阻R2的一端连接所述摩擦纳米发电机的A端、另一端分别连接所述第一运算放大器AMP1的同相输入端及所述第一电阻R1，所述第一电阻R1的另一端连接所述摩擦纳米发电机B端后接地，在所述第一运算放大器AMP1的同相输入端还连接有所述偏置电阻RREF，所述偏置电阻RREF的另一端连接所述第二运算放大器AMP2中相互连通的反向输入端和输出端，所述第二运算放大器AMP2的同相输入端分别连接所述第三电阻R3、所述第四电阻R4和所述电容器C1，所述第三电阻R3的另一端连接所述单电源正极，第四电阻R4的另一端与电容器C1的另一端连接后接地，所述单电源负极接地。
6.根据权利要求5所述的便携式摩擦纳米发电机传感器，其特征在于：所述第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4及偏置电阻RREF中，R2＝99R1,RREF＝R1，R3＝0.25-0.3R1，R4＝0.05R1。
7.根据权利要求5所述的便携式摩擦纳米发电机传感器，其特征在于：所述电容器C1为1-10uF。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的便携式摩擦纳米发电机传感器，其特征在于：所述摩擦纳米发电机选自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中的任一种。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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