CN113376398A - 滑动式摩擦电环形运动传感器、环形运动定位平台及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种滑动式摩擦电环形运动传感器、环形运动定位平台及测试方法，其中，该传感器包括：环形导轨；定子电极，自下而上包括基底和金属电极层，基底通过定位螺钉安装于环形导上，金属电极层包括N组金属电极对，N≥4，每组电极对由两个环形叉指电极组成，整体形状为环形沿周向错位分布，错位角度为单个叉指电极周期α的2N/1；PTFE栅格，包括凸起、凹陷部分，凸起占扇形宽度的1.3°，凹陷占扇形宽度的1.7°，相对于环形导轨移动，使得其与金属电极层形成滑动副产生滑动摩擦，进而每个金属电极对的两个叉指金属电极之间产生交流信号。该传感器实现了环形运动定位平台的位移、速度和加速度等参数检测，具有较高的分辨率和实时性。
Description
技术领域
本发明涉及机械运动传感器技术领域，特别涉及一种滑动式摩擦电环形运动传感器、环形运动定位平台及测试方法。
背景技术
随着3C产业的高速发展，电脑、通讯以及消费性电子等领域对自动化环形循环运动的运动平台在生产线与装配线上有着很大的应用需求。由于在环形循环运动平台上的环形轨迹无法布置线性的位移传感器，通常采用限位开关的形式来实现运动单元的定点定位，然而在运动平台的高精度化、多样化和定制化的发展背景下，对于环形运动轨迹也需要进行高精度实时运动控制。因此，需要通过位移传感器对环形运动的运动单元的速度、位置定位进行精确的运动参数反馈，同时对传感器的位置速度信号采集检测是整个平台重要的环节之一。目前，常用的位置速度反馈方法有利用高精度的光栅尺、应用无位置传感器的位置反馈和低成本的霍尔传感器等，但都受限于环形轨迹的特殊性。随着机械、微电子、材料等多学科的发展与交叉融合，高度集成化、多功能复合、微能量获取的特点逐渐成为新型传感器的应用要求。
目前大多数的运动位置传感器的反馈都无法摆脱能源的供应和额外的安装条件，供电问题一直是有源传感器应用的一大障碍，如光栅和霍尔传感器等等，维护不便。同时传统的位移传感器如光栅等大多只局限于直线和旋转运动的应用，对于较大半径的环形运动平台集成度差，且对传感器需要特殊的环形设计，其成本较高，且需要额外附加安装结构，不利于实际应用。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种滑动式摩擦电环形运动传感器。
本发明的另一个目的在于提出一种基于滑动式摩擦电环形运动传感器的环形运动定位平台。
本发明的再一个目的在于提出一种滑动式摩擦电环形运动传感器的测试方法。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了滑动式摩擦电环形运动传感器，包括：环形导轨101；定子电极102，自下而上包括基底1021和金属电极层1022，所述基底1021通过定位螺钉104安装于所述环形导轨101上，所述金属电极层1022包括N组金属电极对，N≥4，每组电极对由两个环形叉指电极组成，整体形状为环形，并沿周向错位分布，错位角度为单个叉指电极周期α的2N/1；PTFE栅格103，所述PTFE栅格103为扇形，包括凸起部分和凹陷部分，所述凸起部分占所述扇形宽度的1.3°，所述凹陷部分占所述扇形宽度的1.7°，所述PTFE栅格103相对于所述环形导轨101移动，使得所述PTFE栅格103与所述金属电极层1022形成滑动副以产生滑动摩擦，进而在每个金属电极对的两个叉指金属电极之间产生交流信号。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述PTFE栅格103由电负性材料PTFE组成，所述金属电极层1022由电正性材料铜组成，所述基底1021由绝缘材料FR-4组成。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了基于滑动式摩擦电环形运动传感器的环形运动定位平台，包括：台面401和台座，其中，所述台面401包括所述滑动式摩擦电环形运动传感器、轴承4011、驱动轴4012、驱动连杆4013、限位连杆4014、预紧弹簧4015和铝合金运动滑块4016；所述台座包括台座支撑杆4021、联轴器4022、电机座4023、伺服电机4024、定位螺钉104和平台底座4025。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述驱动轴4012由所述轴承4011进行限位，所述驱动轴4012顶端轴孔连接所述驱动连杆4013，并通过锁紧螺母4017使所述驱动连杆4013与所述驱动轴4012无相对运动，保证其与所述驱动轴4012同步旋转。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述驱动连杆4013的末端布置有三个限位孔，用于与限位连杆4014进行轴孔配合，所述限位连杆4014的末端布置有外螺纹，与所述铝合金滑块的三个螺纹孔进行螺钉连接，并通过所述预紧弹簧4015对所述铝合金滑块施加预紧，使其贴附于四路叉指电极上。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述滑动式摩擦电环形运动传感器中的PTFE栅格103上方安装与所述铝合金滑块下方，使所述铝合金滑块与所述PTFE栅格103同步环形移动。
为达到上述目的，本发明再一方面实施例提出了基于滑动式摩擦电环形运动传感器的测试方法，包括以下步骤：步骤S1，采集每组金属电极对的两个叉指金属电极之间产生所述交流信号，并对所述交流信号依次进行直流滤波、放大、滞回比较、零值比较和异或门比较，得到两路数字方波信号；步骤S2，根据所述两路差分方波信号的频率计算所述铝合金滑块的移动速度；步骤S3，根据方波信号的上下边沿跳变总数计算所述铝合金滑块的角位移量。
本发明实施例的基于滑动式摩擦电环形运动传感器、环形运动定位平台及测试方法，根据摩擦纳米发电机的独立层工作原理，设计了以定子电极102为定子和以PTFE栅格103作为动子的摩擦电环形运动传感器，将摩擦机械能转化为可利用的电能；同时，将环形运动传感器高度集成应用于运动平台环形导轨101中，应用测试方法可实现对平台运动单元的速度和位移的实时检测，最终实现了滑块在环形轨道上的位移、速度和加速度等参数检测，具有高度集成化、自供电、高的分辨率和实时性的特点。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的滑动式摩擦电环形运动传感器的结构示意图；
图2是本发明一个实施例的滑动式摩擦电环形运动传感器中金属电极层1022和PTFE栅格103的结构示意图；
图3是N＝4时，四组金属电极对的差分环形栅状叉指电极与PTFE栅格滑块尺寸参数示意图；
图4是本发明一个实施例的滑动式摩擦电环形运动传感器的环形运动定位平台的结构示意图；
图5是本发明一个实施例的滑动式摩擦电环形运动传感器的测试方法的流程示意图；
图6是本发明一个实施例的滑动式摩擦电环形运动传感器的测试方法的具体执行示意图；
图7是本发明一个实施例的滑动式摩擦电环形运动传感器测试方法的信号整形过程示意图；
图8是本发明一个实施例的滑动式摩擦电环形运动传感器的输出信号开路电压特性示意图；
图9是本发明一个实施例的滑动式摩擦电环形运动传感器的输出信号速度角位移特性示意图。
附图标记说明：
10-滑动式摩擦电环形运动传感器、101-环形导轨、102-定子电极、1021-基底、1022-金属电极层、103-PTFE栅格、104-定位螺钉、40-环形运动定位平台、401-台面、4011-轴承、4012-驱动轴、4013-驱动连杆、4014-限位连杆、4015-预紧弹簧、4016-铝合金运动滑块、4017-锁紧螺母、402-台座、4021-台座支撑杆、4022-联轴器、4023-电机座、4024-伺服电机和4025-平台底座。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的滑动式摩擦电环形运动传感器、环形运动定位平台及测试方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的滑动式摩擦电环形运动传感器。
图1是本发明一个实施例的滑动式摩擦电环形运动传感器的结构示意图。
如图1所示，该滑动式摩擦电环形运动传感器10包括：环形导轨101、定子电极102和PTFE栅格103。
其中，定子电极102自下而上包括基底1021和金属电极层1022，基底1021通过定位螺钉安装于环形导轨101上，金属电极层1022包括N组金属电极对，N≥4，每组电极对由两个环形叉指电极组成，整体形状为环形，并沿周向错位分布，错位角度为单个叉指电极周期α的2N/1；PTFE栅格103为扇形，包括凸起部分和凹陷部分，凸起部分占扇形宽度的1.3°，凹陷部分占扇形宽度的1.7°，PTFE栅格103相对于环形导轨101移动，使得PTFE栅格与金属电极层1022形成滑动副以产生滑动摩擦，进而在每个金属电极对的两个叉指金属电极之间产生交流信号。
工作时，PTFE栅格103与定子电极102通过平台结构保持同心对其状态，并能够沿周向自由运动，PTFE栅格103安装在铝合金滑块底部，PTFE栅格103与金属电极层1022接触。当铝合金滑块4017运动时带动PTFE栅格103同步运动，PTFE栅格103下底面与金属电极层1022产生滑动摩擦，并产生摩擦电荷，根据摩擦起电与静电感应的耦合效应，金属电极层1022输出N路传感电信号。本发明实施例中金属电极层1022包括四组金属电极对(即N＝4)为例说明传感器的结构及工作过程。
如图2所示，该金属电极层1022由四对栅格叉指电极对组成，内外圈电极同心布置，为了实现差分检测，其电极对之间的相位角错开八分之一个周期。定子电极102的外径略小于定位台面槽道的最大外径，使定子电极102能够顺利的安装于槽道面上，并在基地的径向布置有四个安装孔槽，通过定位螺钉104使定子电极102能够沿周向和径向固定，同时使基底紧密贴合于定位台面的槽道之中，金属电极层1022采用裸铜刻蚀工艺，基底材料为FR-4。PTFE栅格103以烧结PTFE固体为材料并加工为扇形的栅格样式，使其工作时满足摩擦纳米发电机独立层工作原理，PTFE栅格103与金属电极层1022同时作为摩擦材料。通过预紧弹簧施加一定预紧力，PTFE栅格103能自适应的改善与电极的接触状态，使其接触面积达到最大，让摩擦电运动传感器达到更好的输出能力。同时设计的PTFE栅格103厚度远大于薄膜，能够在长时间磨损的情况下正常工作，其运动寿命耐久度大大提高。但同时由于较大的增加了PTFE厚度，使其电输出能力会明显的低于薄膜PTFE。
如图3所示，根据独立层工作模式的特点，以A相电极对1022a为例，其实际有效径向宽度为8.4mm。由于α＝3°，由N＝360/α可得，被分为120个周期，其中A相电极对1022a的一个周期是由A相电极对的第一电极1022a1、A相电极对的第二电极1022a2和两个电极间距组成。不同相的两路电极对之间相邻布置，其径向间距相同，并采用差分错位的方式，即内电极对的周向位置相比外电极对滞后四分之一个电极周期α。因此两路电极在工作时，其两路输出的电信号在相位上会产生π/2的滞后。相比单路电极对，当产生一定位移时，其输出的脉冲数量是单路的4倍，因此将传感器的位置精度提高了4倍。采用的PTFE栅格103可有效解决其薄膜材料的摩擦磨损的问题，在保证结构尺寸参数不变的条件下，将固体PTFE加工为扇形栅格状结构，栅格宽度为1.3°，栅格间隙为1.7°。
根据本发明实施例提出的滑动式摩擦电环形运动传感器，相比单路电极对，本发明实施例当产生一定位移时，金属电极层1022输出的脉冲数量是单路的N倍，通过电极结构差分与信号合成处理，将传感器的位置精度提高了N倍，同时本发明应用摩擦纳米发电机原理，实现了对环形运动的速度和位移的实时检测，具有低成本、高集成度和自供电的优势气，其中，摩擦材料选用烧结的固体PTFE，通过施加一定预紧力，PTFE栅格103能自适应的改善与金属电极层1022的接触状态，使其接触面积达到最大，让摩擦纳米发电机达到更高的输出能力，与传统PTFE薄膜为摩擦材料的摩擦电传感器相比服役寿命、耐久性和稳定性得到了极大提高。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的滑动式摩擦电环形运动传感器的环形运动定位平台。
图4是本发明一个实施例的滑动式摩擦电环形运动传感器的环形运动定位平台的结构示意图。
如图4所示，该环形运动定位平台40包括：台面401和台座402，其中，台面401包括滑动式摩擦电环形运动传感器10、轴承4011、驱动轴4012、驱动连杆4013、限位连杆4014、预紧弹簧4015、铝合金运动滑块4016和锁紧螺母4017等；台座402包括台座支撑杆4021、联轴器4022、电机座4023、伺服电机4024和平台底座4025等。
其中，台面401主要功能为通过伺服电机驱动滑块在定位平台上精确的环形运动，台座402主要功能保证平台底座在伺服电机驱动时的运动平稳性和伺服电机在底座上的相对位置关系。
进一步地，当铝合金运动滑块4016滑动时，由于存在预紧弹簧4015的预紧力作用，PTFE栅格片103会贴附于栅格电极表面，保证滑动式摩擦电环形运动传感器10中PTFE栅格片103与金属电极层1022有较大的摩擦接触面积。
工作时，当外部伺服放大器驱动伺服电机4024正反转运动，驱动轴4012由上下两端轴承4011进行限位，驱动轴4012顶端轴孔连接驱动连杆，并通过锁紧螺母4017使驱动连杆4013与驱动轴4012无相对运动，保证其与驱动轴4012同步旋转。驱动连杆4013的末端布置有三个限位孔，作用是与限位连杆4014进行轴孔配合，限位连杆4014的末端布置有外螺纹，与铝合金滑块4016的三个螺纹孔进行螺钉连接，并通过预紧弹簧4015对铝合金滑块4016施加预紧，使其贴附于四路叉指电极上。铝合金滑块4016和驱动连杆4013保持同步运动，当伺服电机4024正反转时，其运动角速度和角位移与铝合金滑块4016一致，铝合金滑块4016上各点线速度则取决于滑块在环形运动定位平台的运动回转直径。
根据本发明实施例提出的基于滑动式摩擦电环形运动传感器的环形运动定位平台，可将环形运动传感器高度集成应用于运动平台环形导轨中，更加方便对进行环形运动传感器进行速度和位移的实时检测。
最后，参照附图描述根据本发明实施例提出的滑动式摩擦电环形运动传感器的环形运动定位平台。
图5是本发明一个实施例的滑动式摩擦电环形运动传感器的测试方法流程图。
图6是本发明一个实施例的硬件信号处理过程示意图
如图5所示，该滑动式摩擦电环形运动传感器的测试方法包括以下步骤：
在步骤S1中，采集每组金属电极对的两个叉指金属电极之间产生交流信号，并对交流信号依次进行直流滤波、放大、滞回比较、零值比较和异或门比较。
具体地，如图6所示，将传感器输出的不稳定幅值的电压模拟信号，转化为幅值恒定易采集的两路差分数字方波信号，采用硬件电路模块对信号进行整形处理，依次包括直流滤波、运算放大、滞回比较、零值放大和异或门比较模块，将四路模拟三角板信号转化为两路数字方波信号。
举例而言，如图7所示，采集了基于滑动式摩擦电环形运动传感器的测试方法测试的传感器信号整形变换过程，图片依次从上往下，从左往右对应了信号经过直流滤波、运算放大、滞回比较、零值放大和异或门比较等信号处理过程，并最终将多路传感信号合成为两路差分的数字方波信号。
在步骤S2中，根据信号整形后的两路差分方波信号的频率计算铝合金滑块的移动速度。
在步骤S3中，根据方波信号的上下边沿跳变总数计算铝合金滑块的角位移量。
具体地，如图7所示，经过直流滤波后，信号中的直流偏离消除；在经过运算放大器后，传感器输出的三角波信号转化为梯形波信号；之后设置了滞回比较器的双限阈值，将梯形波转化为方波信号，保证了梯形波的相位关系；将梯形波输入零值比较器，将具有正负向电压的方波，转化为0-5V的标准数字方波信号；最后将四路差分信号中相位差为π/2的两路信号分别经过异或门合成，得到了双倍频率的两路相位差为π/2的方波数字信号。方波数字信号的频率与上下边沿跳变数总和可以反映出滑块的运动速度与角位移。
如图8所示，测试了滑动式摩擦电环形运动传感器的开路电压特性，将伺服电机工作于10rpm、20rpm、30rpm、40rpm、50rpm、60rpm和70rpm。可以看出摩擦电环形运动传感器的开路电压与表面电荷密度成正比，而与铝合金滑块的运动速度无关。在各个工作速度下，传感器的开路电压峰值基本稳定在13.8V，不随速度的增加而变化。其中在工作速度为30.4mm/s时的开路电压波形的局部放大示意图如图6所示，开路电压的波形为均匀的周期三角波信号。
如图9所示，为滑动式摩擦电环形运动传感器的传感特性，包括速度线性关系与角位移线性关系，传感实验结果表明，滑动式摩擦电环形运动传感器可检测最大速度偏差率小于0.37％、角位移分辨率为0.375°，与单个电极对相比较提高了4倍。
根据本发明实施例提出的滑动式摩擦电环形运动传感器的测试方法，可以实现对多路差分设计的传感信号的标准化与合成处理，将传感器输出的不稳定幅值的电压模拟信号转化为幅值恒定易采集的差分数字方波信号，并保证准确的相位关系，另外，该测试方法降低了摩擦电环形运动传感器检测方法的复杂性，通过异或门合成的方法，降低了多路差分的摩擦电运动传感器对于数据采集端口资源的占用，同时采用硬件电路模块相比于软件信号处理，提高了传感器参数检测的实时性。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种滑动式摩擦电环形运动传感器，其特征在于，包括：
环形导轨(101)；
定子电极(102)，自下而上包括基底(1021)和金属电极层(1022)，所述基底(1021)通过定位螺钉(104)安装于所述环形导轨(101)上，所述金属电极层(1022)包括N组金属电极对，N≥4，每组电极对由两个环形叉指电极组成，整体形状为环形，并沿周向错位分布，错位角度为单个叉指电极周期α的2N/1；
PTFE栅格(103)，所述PTFE栅格(103)为扇形，包括凸起部分和凹陷部分，所述凸起部分占所述扇形宽度的1.3°，所述凹陷部分占所述扇形宽度的1.7°，所述PTFE栅格(103)相对于所述环形导轨(101)移动，使得所述PTFE栅格(103)与所述金属电极层(1022)形成滑动副以产生滑动摩擦，进而在每个金属电极对的两个叉指金属电极之间产生交流信号。
2.根据权利要求1所述的滑动式摩擦电环形运动传感器，其特征在于，所述PTFE栅格(103)由电负性材料PTFE组成，所述金属电极层(1022)由电正性材料铜组成，所述基底(1021)由绝缘材料FR-4组成。
3.一种基于滑动式摩擦电环形运动传感器的环形运动定位平台，其特征在于，基于上述权利要求1-2所述的滑动式摩擦电环形运动传感器，包括：台面(401)和台座(402)，其中，
所述台面(401)包括所述滑动式摩擦电环形运动传感器(10)、轴承(4011)、驱动轴(4012)、驱动连杆(4013)、限位连杆(4014)、预紧弹簧(4015)和铝合金运动滑块(4016)；
所述台座(402)包括台座支撑杆(4021)、联轴器(4022)、电机座(4023)、伺服电机(4024)和平台底座(4025)。
4.根据权利要求3所述的基于滑动式摩擦电环形运动传感器的环形运动定位平台，其特征在于，所述驱动轴(4012)由所述轴承(4011)进行限位，所述驱动轴(4012)顶端轴孔连接所述驱动连杆(4013)，并通过锁紧螺母(4017)使所述驱动连杆(4013)与所述驱动轴(4012)无相对运动，保证其与所述驱动轴(4012)同步旋转。
5.根据权利要求4所述的基于滑动式摩擦电环形运动传感器的环形运动定位平台，其特征在于，所述驱动连杆(4013)的末端布置有三个限位孔，用于与限位连杆(4014)进行轴孔配合，所述限位连杆(4014)的末端布置有外螺纹，与所述铝合金滑块的三个螺纹孔进行螺钉连接，并通过所述预紧弹簧(4015)对所述铝合金滑块施加预紧，使其贴附于四路叉指电极上。
6.根据权利要求3所述的基于滑动式摩擦电环形运动传感器的环形运动定位平台，其特征在于，所述滑动式摩擦电环形运动传感器中的PTFE栅格(103)上方安装与所述铝合金滑块下方，使所述铝合金滑块与所述PTFE栅格(103)同步环形移动。
7.一种滑动式摩擦电环形运动传感器的测试方法，其特征在于，基于上述权利要求1-2所述的滑动式摩擦电环形运动传感器，包括以下步骤：
步骤S1，采集每组金属电极对的两个叉指金属电极之间产生所述交流信号，并对所述交流信号依次进行直流滤波、放大、滞回比较、零值比较和异或门比较，得到两路数字方波信号；
步骤S2，根据所述两路差分方波信号的频率计算所述铝合金滑块的移动速度；
步骤S3，根据方波信号的上下边沿跳变总数计算所述铝合金滑块的角位移量。
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