CN114002596A - 一种基于性能测试系统的纳米发电机输出性能测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于性能测试系统的纳米发电机输出性能测试方法。所述性能测试系统包括：管式直线电机、摩擦纳米发电机、高阻静电计、微处理器、显示模块。所述纳米发电机输出性能测试方法利用高阻静电计配合微处理器实现对待测电流、电压或电荷模拟信号的同步模拟‑数字信号转换，同时利用微处理器内置的高速数字信号采集单元将输出数字信号无损、快速收集，最后结合背景噪声和测试数据的频谱特征，筛选出噪声特征频率并以此构建滤波器对所采集的信号进行后处理，滤除了高频及背景噪声干扰，实现摩擦纳米发电机输出信号的无损准确测量。
Description
技术领域
本发明属于发电机技术领域，特别涉及一种基于性能测试系统的纳米发电机输出性能测试方法。
背景技术
纳米发电机包括摩擦纳米发电机、压电纳米发电机等在微能量收集与转换领域具有广阔的应用前景，例如基于纳米发电机的可穿戴自供能电子器件、蓝色能源收集、风能及水滴能收集等方面。
针对纳米发电机输出性能的测试及评估是表征器件能量转换效率的重要一步，但现有的针对纳米发电机输出电压、电流及转移电荷的测试缺乏相关规范平台构建和测试流程，尤其是采用模拟采集卡读取高阻静电计信号的方式存在较大的时延和信号丢失，导致测量结果存在较大误差甚至存在错误，无法反映所构建的摩擦纳米发电机真实工作性能。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种基于性能测试系统的纳米发电机输出性能测试方法。
为了解决上述技术问题，本发明系统的技术方案如下：
本发明系统的技术方案为一种基于性能测试系统的纳米发电机输出性能测试方法，所述性能测试系统包括：管式直线电机、摩擦纳米发电机、高阻静电计、微处理器、显示模块；
所述的管式直线电机、摩擦纳米发电机、高阻静电计、微处理器、显示模块依次连接；
所述摩擦纳米发电机包括：PTFE薄膜以及导电铜膜；
所述导电铜膜均匀粘附于所述PTFE薄膜上表面中心；所述管式电机的运动端子与所述PTFE薄膜的下表面中心接触，所述管式电的机运动端子运动方向与所述PTFE薄膜的下表面中心垂直；所述PTFE薄膜通过不断与所述管式电机接触分离，通过摩擦起电效应产生电荷，并通过静电感应效应在上表面形成感应电荷；所述导电铜膜作为电极收集所述PTFE薄膜上表面的感应电荷；所述导电铜膜直接与所述高阻静电计的输入端相连；所述摩擦纳米发电机将机械振动信号通过所述摩擦纳米发电机与管式电机接触分离转换为电信号；
所述管式直线电机往复运动并接触所述摩擦纳米发电机，所述管式直线电机输出机械振动信号至所述摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机将机械振动信号通过所述摩擦纳米发电机的气隙接触分离转换为电信号，并将电信号传输至所述高阻静电计；所述高阻静电计将电信号通过测量以及量程归一化预处理得到预处理后电信号，将预处理后电信号传输至所述微处理器；所述微处理器将预处理后模拟信号转换为数字信号，并提取出所述摩擦纳米发电机的背景噪声、高频噪声特征频率；
本发明所述纳米发电机输出性能测试及评估方法的核心工作思想是，利用高阻静电计配合微处理器实现对待测电流、电压或电荷模拟信号的同步模拟-数字信号转换，同时利用微处理器内置的高速数字信号采集单元将输出数字信号无损、快速收集，最后结合背景噪声和测试数据的频谱特征，筛选出噪声特征频率并以此构建滤波器对所采集的信号进行后处理，滤除了高频及背景噪声干扰，实现摩擦纳米发电机输出信号的无损准确测量，有效解决了目前使用模拟信号采集卡搭配高阻静电计测试方案所存在的因模拟采集卡信号采样率过低、高阻静电计内存溢出、背景干扰无法消除等导致的测试结果失真、不准确甚至错误等技术难题。
本发明的方法所采用的技术方案是纳米发电机输出性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，断开所述管式电机供电，使得所述管式电机保持静止，启动高阻静电计、微处理器与显示模块，此时显示模块显示的电信号为背景噪声信号序列；
步骤2；设置所述调节管式直线电机的往复频率、行进位移、输出压力、测试时间；开启管式直线电机供电使所述管式直线电机的动端子往复运动并接触所述摩擦纳米发电机，实现所述摩擦纳米发电机的接触分离；所述摩擦纳米发电机将所述管式直线电机往复运动的机械振动信号通过接触起电和电磁感应原理转换为电信号，同时利用所述高阻静电计对所述摩擦纳米发电机的输出的电信号通过量程归一化预处理得到预处理后电信号，将预处理后电信号传输至所述微处理器，通过预处理后电信号模数转换构建预处理后电信号序列；
步骤3，利用微处理器对背景噪声序列进行傅里叶变换得到背景噪声频谱，预处理后电信号序列进行傅里叶变换得到预处理后的电信号频谱；将背景噪声频谱和预处理后的信号频谱通过零极点滤波方法进得到原始输出信号序列；
步骤4，所述摩擦纳米发电机的原始输出信号序列基频与所述管式电机的往复频率相同，所述纳米发电机的原始输出信号频谱为以所述管式电机的往复频率为基频的谐波频谱序列；通过原始输出信号频谱对原始输出信号序列进行基频为所述管式电机的往复频率的谐波分析，提取主要高频干扰信号的频率作为所述摩擦纳米发电机原始输出信号中主要高频干扰的特征频率；
步骤5，根据步骤4所得主要高频干扰的特征频率构建数字陷波器，将所筛选出的噪声特征频率作为数字陷波器的截止频率以构建数字陷波器；
步骤6，依次执行步骤2、步骤3得到测试信号原始序列，将测试信号原始序列通过步骤5所述的数字陷波器得到无干扰的摩擦纳米发电机输出信号，进一步传输给所述显示模块实时显示。
作为优选，步骤1所述背景噪声序列为：
ZUcheck＝(U1,U2,...,UK)
其中，ZUcheck为背景噪声信号序列，Ui表示背景噪声信号序列第i个背景噪声信号；i∈[1,K]，K表示背景噪声信号的数量；
作为优选，步骤2所述构建预处理后电信号序列为：
Zpre＝(preU1,preU2,...,preUK)
其中，Zpre为预处理后电信号序列，preUi表示预处理后振动信号序列第i个预处理后电信号；i∈[1,K]，K表示预处理后电信号的数量；
作为优选，步骤3所述对背景噪声序列进行傅里叶变换得到的背景噪声频谱为：
f(ZUcheck)＝(fUcheck-1，fUcheck-2，...，fUcheck-k)
其中，f(ZUcheck)为背景噪声频谱，fUcheck-i表示背景噪声频谱序列第i个背景噪声频率幅值；i∈[1,K]，K表示背景噪声频谱信号的数量；
步骤3所述对预处理后的振动信号序列进行傅里叶变换得到预处理后的电信号频谱为：
其中，f(Zpre)为预处理后的电信号频谱，
表示预处理后的电信号频谱序列第i个信号频率幅值；i∈[1,K]，K表示预处理后的电信号的数量；
步骤3所述原始输出信号序列为：
Zoutput＝(Uoutput,1,Uoutput,2,...,Uoutput,K)
其中，Zoutput为预处理后电信号序列，Uoutput,i表示预处理后电信号序列第i个预处理后电信号；i∈[1,K]，K表示预处理后电信号的数量；
作为优选，步骤4所述原始输出信号频谱为：
f(ZUoutput)＝(fUoutput,1，fUoutput,3，...，fUoutput,2k-1)
其中，ZUoutput为原始输出信号序列，f(ZUoutput)为原始输出信号频谱，fUoutput,i表示原始输出信号序列经过傅里叶变换得到的i次波形成分；i∈[1,3,5,…2K-1]，K表示原始输出信号频率的数量；
与现有技术相比，本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明提出将高阻静电计结合微处理器实现模拟-数字信号实时转换，实现了对摩擦纳米发电机输出电压、电流、电荷等动态信号的高精度、快速、无损、长时间采集，提高了测量效率及准确率。
本发明解决了传统采用高阻静电计、模拟采集卡方案存在的因采集卡采样率不足而引发的信号丢失及测量不准确难题，同时解决了传统方案下采集卡存储带宽不足而无法实现对摩擦纳米发电机长时间输出性能测试的难题。
本发明可以测量摩擦纳米发电机在拉伸，弯折，扭转等快速变化状态下输出性能的动态变化曲线，解决了采用高阻静电计、模拟采集卡方案无法实现对快速变化的器件性能的有效测量的难题。
本发明所提出的背景噪声及测试数据频谱特征提取与滤波算法能够实现对测试结果的干扰滤除，真实、准确展现摩擦纳米发电机的输出特性。
本发明所提出的技术方案能够规范摩擦纳米发电机输出信号采集分析及性能评估，且所涉及测量设备易购置、成本低，具有广泛的科研及工程应用前景。
附图说明
图1：是本发明系统结构框图；
图2：是本发明方法流程图；
图3：是本发明测量得到的摩擦纳米发电机输出电压信号波形；
图4：是本发明测量得到的摩擦纳米发电机输出电流信号波形；
图5：是发明测量得到的摩擦纳米发电机电荷信号波形；
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
一种基于性能测试系统的纳米发电机输出性能测试方法，所述性能测试系统包括：管式直线电机、摩擦纳米发电机、高阻静电计、微处理器、显示模块；
所述的管式直线电机、摩擦纳米发电机、高阻静电计、微处理器、显示模块依次连接；
所述摩擦纳米发电机包括：PTFE薄膜以及导电铜膜；
所述导电铜膜均匀粘附于所述PTFE薄膜上表面中心；所述管式电机的运动端子与所述PTFE薄膜的下表面中心接触，所述管式电的机运动端子运动方向与所述PTFE薄膜的下表面中心垂直；所述PTFE薄膜通过不断与所述管式电机接触分离，通过摩擦起电效应产生电荷，并通过静电感应效应在上表面形成感应电荷；所述导电铜膜作为电极收集所述PTFE薄膜上表面的感应电荷；所述导电铜膜直接与所述高阻静电计的输入端相连；所述摩擦纳米发电机将机械振动信号通过所述摩擦纳米发电机与管式电机接触分离转换为电信号；
所述管式直线电机往复运动并接触所述摩擦纳米发电机，所述管式直线电机输出机械振动信号至所述摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机将机械振动信号通过所述摩擦纳米发电机的气隙接触分离转换为电信号，并将电信号传输至所述高阻静电计；所述高阻静电计将振动电信号通过测量以及量程归一化预处理得到预处理后电信号，将预处理后电信号传输至所述微处理器；所述微处理器将预处理后电信号转换为数字信号，提取出所述摩擦纳米发电机的背景噪声、高频噪声特征频率。
所述管式直线电机的选型为WMUC512075-06-X，且工作频率为1Hz-20 Hz，输出压力为0-500kPa，步进行程为0-10cm；
所述高阻静电计电流的选型为6517B，且测量范围为10aA-20mA；电压测量范围为10μV-200V；电阻测量范围为100Ω-10GΩ；电荷测量范围为10fC-2μC；
所述微处理器选型为Socket 423；
所述显示模型为数字示波器，四通道，带宽70MHz-200MHz；采样率1GS/s-2GS/s；
所述纳米发电机：所述PTFE薄膜尺寸为2cm*3cm；
所述导电铜膜黏贴在所述PTFE薄膜背面，尺寸为1.5cm*2cm，并引出铜导线。
本发明的方法所采用的技术方案是纳米发电机输出性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，断开所述管式电机供电，使得所述管式电机保持静止，启动高阻静电计、微处理器与显示模块，此时显示模块显示的电信号为背景噪声信号序列；
步骤1所述背景噪声序列为：
ZUcheck＝(U1,U2,...,UK)
其中，ZUcheck为背景噪声信号序列，Ui表示背景噪声信号序列第i个背景噪声信号；i∈[1,K]，K＝150表示背景噪声信号的数量；
步骤2；设置所述调节管式直线电机的往复频率、行进位移、输出压力、测试时间；开启管式直线电机供电使所述管式直线电机的动端子往复运动并接触所述摩擦纳米发电机，实现所述摩擦纳米发电机的气隙的接触分离；所述摩擦纳米发电机将所述管式直线电机往复运动的机械振动信号通过接触起电和电磁感应原理转换为电信号，同时利用所述高阻静电计对所述摩擦纳米发电机的输出的电信号通过量程归一化预处理得到预处理后电信号，将预处理后电信号传输至所述微处理器，构建预处理后电信号序列；
步骤2所述构建预处理后电信号序列为：
Zpre＝(preU1,preU2,...,preUK)
其中，Zpre为预处理后电信号序列，preUi表示预处理后电信号序列第i个预处理后电信号；i∈[1,K]，K表示预处理后电信号的数量；
步骤3，利用微处理器对背景噪声序列进行傅里叶变换得到背景噪声频谱，预处理后电信号序列进行傅里叶变换得到预处理后的电信号频谱；将背景噪声频谱和预处理后的振动信号频谱通过零极点滤波方法进得到原始输出信号序列；
步骤3所述对背景噪声序列进行傅里叶变换得到的背景噪声频谱为：
f(ZUcheck)＝(fUcheck-1，fUcheck-2，...，fUcheck-k)
其中，f(ZUcheck)为背景噪声频谱，fUcheck-i表示背景噪声频谱序列第i个背景噪声频率幅值；i∈[1,K]，K表示背景噪声频谱信号的数量；
步骤3所述对预处理后的电信号序列进行傅里叶变换得到预处理后的电信号频谱为：
f(Zpre)＝(fpreU1，fpreU2，...，fpreUK)
其中，f(Zpre)为预处理后的电信号频谱，fpreUi表示预处理后的电信号频谱序列第i个电信号频率幅值；i∈[1,K]，K表示预处理后的电信号的数量；
步骤3所述原始输出信号序列为：
Zoutput＝(Uoutput,1,Uoutput,2,...,Uoutput,K)
其中，Zoutput为预处理后电信号序列，Uoutput,i表示预处理后电信号序列第i个预处理后电信号；i∈[1,K]，K表示预处理后电信号的数量；
步骤4，将步骤3所述的原始输出信号序列进行傅里叶变换得到原始输出信号频谱；所述摩擦纳米发电机的原始输出信号序列基频与所述管式电机的往复频率相同，所述纳米发电机的原始输出信号频谱为以所述管式电机的往复频率为基频的谐波频谱序列；通过原始输出信号频谱对原始输出信号序列进行基频为所述管式电机的往复频率的谐波分析，提取主要高频干扰信号的频率作为所述摩擦纳米发电机原始输出信号中主要高频干扰的特征频率；
步骤4所述原始输出信号频谱为：
f(ZUoutput)＝(fUoutput,1，fUoutput,3，...，fUoutput,2k-1)
其中，ZUoutput为原始输出信号序列，f(ZUoutput)为原始输出信号频谱，fUoutput,i表示原始输出信号序列经过傅里叶变换得到的i次波形成分；i∈[1,3,5,…2K-1]，K表示原始输出信号频率的数量；
步骤5，根据步骤4所得主要高频干扰的特征频率构建数字陷波器，将所筛选出的噪声特征频率作为数字陷波器的截止频率以构建数字陷波器；
步骤6，依次执行步骤2、步骤3得到测试信号原始序列，将测试信号原始序列通过步骤5所述的数字陷波器得到无干扰的摩擦纳米发电机输出信号，进一步传输给所述显示模块实时显示。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (2)
1.一种基于性能测试系统的纳米发电机输出性能测试方法，其特征在于：
所述性能测试系统包括：管式直线电机、摩擦纳米发电机、高阻静电计、微处理器、显示模块；
所述的管式直线电机、摩擦纳米发电机、高阻静电计、微处理器、显示模块依次连接；
所述摩擦纳米发电机包括：PTFE薄膜以及导电铜膜；
所述导电铜膜均匀粘附于所述PTFE薄膜上表面中心；所述管式电机的运动端子与所述PTFE薄膜的下表面中心接触，所述管式电的机运动端子运动方向与所述PTFE薄膜的下表面中心垂直；所述PTFE薄膜通过不断与所述管式电机接触分离，通过摩擦起电效应产生电荷，并通过静电感应效应在上表面形成感应电荷；所述导电铜膜作为电极收集所述PTFE薄膜上表面的感应电荷；所述导电铜膜直接与所述高阻静电计的输入端相连；所述摩擦纳米发电机将机械振动信号通过所述摩擦纳米发电机与管式电机接触分离转换为电信号；
所述管式直线电机往复运动并接触所述摩擦纳米发电机，所述管式直线电机输出机械振动信号至所述摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机将机械振动信号通过所述摩擦纳米发电机的气隙接触分离转换为电信号，并将电信号传输至所述高阻静电计；所述高阻静电计将电信号通过测量以及量程归一化预处理得到预处理后电信号，将预处理后电信号传输至所述微处理器；所述微处理器将预处理后模拟信号转换为数字信号，并提取出所述摩擦纳米发电机的背景噪声、高频噪声特征频率；
所述纳米发电机输出性能测试方法，包括以下步骤：
步骤1，断开所述管式电机供电，使得所述管式电机保持静止，启动高阻静电计、微处理器与显示模块，此时显示模块显示的电信号为背景噪声信号序列；
步骤2；设置所述调节管式直线电机的往复频率、行进位移、输出压力、测试时间；开启管式直线电机供电使所述管式直线电机的动端子往复运动并接触所述摩擦纳米发电机，实现所述摩擦纳米发电机的接触分离；所述摩擦纳米发电机将所述管式直线电机往复运动的机械振动信号通过接触起电和电磁感应原理转换为电信号，同时利用所述高阻静电计对所述摩擦纳米发电机的输出的电信号通过量程归一化预处理得到预处理后电信号，将预处理后电信号传输至所述微处理器，通过预处理后电信号模数转换构建预处理后电信号序列；
步骤3，利用微处理器对背景噪声序列进行傅里叶变换得到背景噪声频谱，预处理后电信号序列进行傅里叶变换得到预处理后的电信号频谱；将背景噪声频谱和预处理后的信号频谱通过零极点滤波方法进得到原始输出信号序列；
步骤4，所述摩擦纳米发电机的原始输出信号序列基频与所述管式电机的往复频率相同，所述纳米发电机的原始输出信号频谱为以所述管式电机的往复频率为基频的谐波频谱序列；通过原始输出信号频谱对原始输出信号序列进行基频为所述管式电机的往复频率的谐波分析，提取主要高频干扰信号的频率作为所述摩擦纳米发电机原始输出信号中主要高频干扰的特征频率；
步骤5，根据步骤4所得主要高频干扰的特征频率构建数字陷波器，将所筛选出的噪声特征频率作为数字陷波器的截止频率以构建数字陷波器；
步骤6，依次执行步骤2、步骤3得到测试信号原始序列，将测试信号原始序列通过步骤5所述的数字陷波器得到无干扰的摩擦纳米发电机输出信号，进一步传输给所述显示模块实时显示。
2.根据权利要求1所述的基于性能测试系统的纳米发电机输出性能测试方法，其特征在于：步骤1所述背景噪声序列为：
ZUcheck＝(U1,U2,...,UK)
其中，ZUcheck为背景噪声信号序列，Ui表示背景噪声信号序列第i个背景噪声信号；i∈[1,K]，K表示背景噪声信号的数量；
步骤2所述构建预处理后电信号序列为：
Zpre＝(preU1,preU2,...,preUK)
其中，Zpre为预处理后电信号序列，preUi表示预处理后振动信号序列第i个预处理后电信号；i∈[1,K]，K表示预处理后电信号的数量；
步骤3所述对背景噪声序列进行傅里叶变换得到的背景噪声频谱为：
f(ZUcheck)＝(fUcheck-1，fUcheck-2，...，fUcheck-k)
其中，f(ZUcheck)为背景噪声频谱，fUcheck-i表示背景噪声频谱序列第i个背景噪声频率幅值；i∈[1,K]，K表示背景噪声频谱信号的数量；
步骤3所述对预处理后的振动信号序列进行傅里叶变换得到预处理后的电信号频谱为：
f(Zpre)＝(fpreU1，fpreU2，...，fpreUK)
其中，f(Zpre)为预处理后的电信号频谱，fpreUi表示预处理后的电信号频谱序列第i个信号频率幅值；i∈[1,K]，K表示预处理后的电信号的数量；
步骤3所述原始输出信号序列为：
Zoutput＝(Uoutput,1,Uoutput,2,...,Uoutput,K)
其中，Zoutput为预处理后电信号序列，Uoutput,i表示预处理后电信号序列第i个预处理后电信号；i∈[1,K]，K表示预处理后电信号的数量；
步骤4所述原始输出信号频谱为：
f(ZUoutput)＝(fUoutput,1，fUoutput,3，...，fUoutput,2k-1)
其中，ZUoutput为原始输出信号序列，f(ZUoutput)为原始输出信号频谱，fUoutput,i表示原始输出信号序列经过傅里叶变换得到的i次波形成分；i∈[1,3,5,…2K-1]，K表示原始输出信号频率的数量。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN112067300A (zh) * | 2020-09-25 | 2020-12-11 | 北京纳米能源与系统研究所 | 一种纳米发电机的测试系统 |
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-
2021
- 2021-10-15 CN CN202111201873.5A patent/CN114002596A/zh active Pending
Patent Citations (7)
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