CN114047353A - 一种自供电运动传感器的信号处理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自供电运动传感器的信号处理方法，包括：沿着待测设备的运动方向在待测设备上布置摩擦发电传感器，传感器包括第一摩擦发电片、第二摩擦发电片和铝制测量片；待测设备运动时，在运动周期内采集传感器所产生的电流信号，得到基于采样时间点的电流信号序列；对电流信号序列进行信号处理，得到铝制测量片触碰到两个摩擦发电片的各个边缘时的时刻；计算铝制测量片与两个摩擦发电片完全重合和分离时的运动速度，以及对应的加速度；构建线性拟合方程得到加速度和时间的关系式，并根据所述第一运动速度以及加速度和时间的关系式，得到待测设备的运动速度和时间的关系。该发明能够精确地计算得到设备的运动速度。

Description

一种自供电运动传感器的信号处理方法及系统

技术领域

本发明涉及传感器测量技术领域，尤其涉及一种自供电运动传感器的信号处理方法及系统。

背景技术

随着现代工业设备逐渐走向智能化生产运维的趋势，需要部署的传感器也越来越多。受到现场运行状况的制约，难以对每个传感器都安装线路进行能量和信息的传输，因此能够自供电的无线传感器成为了智能工厂建设的必备组件。

摩擦纳米发电机(TENG)是利用摩擦起电效应和静电感应效应耦合，将风能、机械能、振动能等转换为电能的器件，具有无污染、结构简单、成本低等优点，摩擦纳米发电机的设计和应用将对能源危机问题具有战略意义。随着物联网、可穿戴电子器件行业的飞速发展，微纳能源与传感的需求日益凸显。

基于摩擦纳米发电机的自驱动式传感器系统为我们提供了有效的解决方案，既可以将环境中容易被忽视的能源直接转换为电能，还能对外界的条件变化做出快速响应，实现了能量产生和传感应用的一体化。

现有技术中，公开号为CN107525948A的专利公开了一种接触式摩擦发电加速度传感器，该传感器使用了屏蔽壳，导致安装困难，同时该传感器使用了弹簧进行测量，弹簧本身具有固有频率，对于一定频次的振动测量会产生干扰，并且弹簧的使用寿命也有较大限制。公开号为CN104283453A的专利公开了一种基于滑动摩擦发电机的矢量位移传感器，该发电机结构简单，只能够测量位移和速度，无法测量加速度，使用场景有限。公开号为CN112134484B的专利用摩擦纳米发电机做了一个小型发电机，来驱动电器如传感器，电灯泡等，缺点是结构复杂，尺寸过大，没有实现供能、用能一体化。现有技术方案中采用自驱动式传感器的技术方案，传感器结构复杂，加速度计算精度低，应用场景有限。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种自供电运动传感器的信号处理方法及系统，能够基于接触式摩擦发电传感器，精确地计算得到设备的运动速度。

为实现上述目的，本发明提供一种自供电运动传感器的信号处理方法，所述方法包括步骤：

S1、沿着待测设备的运动方向在待测设备上布置一接触式摩擦发电传感器，所述接触式摩擦发电传感器包括第一摩擦发电片、第二摩擦发电片和铝制测量片，设置第一摩擦发电片和第二摩擦发电片之间的间距，所述第一摩擦发电片和第二摩擦发电片具有相同的宽度，所述铝制测量片与所述第一摩擦发电片和第二摩擦发电片之间产生摩擦时生成电信号；

S2、当所述待测设备运动时，在一运动周期内采集所述接触式摩擦发电传感器所产生的电流信号，得到基于采样时间点的电流信号序列；

S3、对所述电流信号序列进行信号处理，根据所述电流信号序列中每一个采样时间点上的电流信号的正负性，得到所述铝制测量片触碰到所述第一摩擦发电片的第一边缘时所对应的时间为第一时刻、 触碰到所述第一摩擦发电片的第二边缘时的时间为第二时刻、完全离开所述第一摩擦发电片时的时间为第三时刻、触碰到所述第二摩擦发电片的第一边缘时的时间为第四时刻、 触碰到所述第二摩擦发电片的第二边缘时的时间为第五时刻、完全离开所述第二摩擦发电片时的时间为第六时刻；

S4、根据所述第一时刻、第二时刻、第三时刻、第四时刻、第五时刻、第六时刻、间距以及宽度，计算得到所述铝制测量片与所述第一摩擦发电片完全重合时摩擦发电传感器的速度为第一运动速度、与所述第一摩擦发电片完全分离时摩擦发电传感器的速度为第二运动速度、离开所述第一摩擦发电片时并且接触第二摩擦发电片前摩擦发电传感器的速度为第三动速度、与所述第二摩擦发电片完全重合时摩擦发电传感器的速度为第四运动速度、与所述第二摩擦发电片完全分离时摩擦发电传感器的速度为第五运动速度；

S5、根据所述第一运动速度、第二运动速度、第三运动速度、第四运动速度以及第五运动速度，计算得到所述铝制测量片通过所述第一摩擦发电片内的加速度为第一平均加速度、通过所述第一摩擦发电片和第二摩擦发电片之间距离时的加速度为第二平均加速度、通过所述第二摩擦发电片内的加速度为第三平均加速度；

S6、根据所述第一平均加速度、第二加速度以及第三加速度，构建线性拟合方程得到加速度和时间的关系式，并根据所述第一运动速度以及加速度和时间的关系式，得到所述待测设备的运动速度和时间的关系。

优选的，所述第一摩擦发电片和第二摩擦发电片的结构相同，均包括第一聚合材料底衬、铜片片、Kapton薄膜，由外至内依次分别为第一聚合材料底衬、铜片、Kapton薄膜，所述铜片粘贴在所述第一聚合材料底衬上，所述Kapton薄膜粘贴在所述铜片上，所述Kapton薄膜和所述铝制测量片之间接触但不粘贴在一起，所述铝制测量片粘贴在第二聚合材料底衬上。

优选的，所述接触式摩擦发电传感器还包括第二聚合材料底衬上，所述第一聚合材料底衬与待测设备的静止端粘贴在一起，所述第二聚合材料底衬与待测设备的运动端粘贴在一起。

优选的，所述间距的大小接近于待测设备的运动幅度的最大值。

优选的，所述步骤S3包括：

电流信号序列I（t）为，

（1）；

其中，t_M为采样时间点，I_M为采样时间点t_M对应的电流;

将电流信号第一次在零与非零之间转换时所对应的采样时间点记录为第一时刻T₁；

将电流信号第一次在正与负之间转换时所对应的采样时间点记录为第二时刻T₂；

将电流信号第二次在零与非零之间转换时所对应的采样时间点记录为第三时刻T₃；

将电流信号第三次在零与非零之间转换时所对应的采样时间点记录为第四时刻T₄；

将电流信号第二次在正与负之间转换时所对应的采样时间点记录为第五时刻T₅；

将电流信号第四次在零与非零之间转换时所对应的采样时间点记录为第六时刻T₆。

优选的，所述步骤S4包括：

所述铝制测量片与所述第一摩擦发电片完全重合时摩擦发电传感器的第一运动速度V_a1的计算公式为：

（2）；

所述铝制测量片与所述第一摩擦发电片完全分离时摩擦发电传感器的第二运动速度V_a2的计算公式为：

（3）；

所述铝制测量片离开所述第一摩擦发电片时并且接触第二摩擦发电片前摩擦发电传感器的第三动速度V_ab的计算公式为：

（4） ；

所述铝制测量片与所述第二摩擦发电片完全重合时摩擦发电传感器的第四运动速度V_b1的计算公式为：

（5）；

所述铝制测量片与所述第二摩擦发电片完全分离时摩擦发电传感器的第五运动速度V_b2的计算公式为：

（6）；

其中，w为第一摩擦发电片和第二摩擦发电片的宽度，D_ab为第一摩擦发电片和第二摩擦发电片之间的间距。

优选的，所述步骤S5包括：

所述铝制测量片通过所述第一摩擦发电片内的加速度为第一平均加速度a_a的计算公式为：

（7）；

所述铝制测量片通过所述第一摩擦发电片和第二摩擦发电片之间距离时的加速度为第二平均加速度a_ab的计算公式为：

（8）；

所述铝制测量片通过所述第二摩擦发电片内的加速度为第三平均加速度a_b的计算公式为：

（9）。

优选的，所述步骤S6包括：

构建加速度与时间之间关系的线性方程式如下：

（10）；

其中，k₀、k₁、k₂为方程系数；

将计算得到的第一平均加速度a_a、第二平均加速度a_ab以及第三平均加速度a_b，分别代入方程式（10）中，求解得到系数k₀、k₁、k₂，进而得到加速度和时间的线性拟合关系式。

优选的，所述步骤S6还包括：

根据得到的加速度和时间的线性拟合关系式，以及计算得到的第一运动速度V_a1，通过公式（11）计算得到待测设备的运动速度和时间的关系式：

（11）。

为实现上述目的，本发明提供一种自供电运动传感器的信号处理系统，所述系统包括：

接触式摩擦发电传感器，沿着待测设备的运动方向在待测设备上布置一接触式摩擦发电传感器，所述接触式摩擦发电传感器包括第一摩擦发电片、第二摩擦发电片和铝制测量片，设置第一摩擦发电片和第二摩擦发电片之间的间距，所述第一摩擦发电片和第二摩擦发电片具有相同的宽度，所述铝制测量片与所述第一摩擦发电片和第二摩擦发电片之间产生摩擦时生成电信号；

电流信号测量模块，当所述待测设备运动时，在一运动周期内采集所述接触式摩擦发电传感器所产生的电流信号，得到基于采样时间点的电流信号序列；

信号处理模块，对所述电流信号序列进行信号处理，根据所述电流信号序列中每一个采样时间点上的电流信号的正负性，得到所述铝制测量片触碰到所述第一摩擦发电片的第一边缘时所对应的时间为第一时刻、 触碰到所述第一摩擦发电片的第二边缘时的时间为第二时刻、完全离开所述第一摩擦发电片时的时间为第三时刻、触碰到所述第二摩擦发电片的第一边缘时的时间为第四时刻、 触碰到所述第二摩擦发电片的第二边缘时的时间为第五时刻、完全离开所述第二摩擦发电片时的时间为第六时刻；

速度计算模块，根据所述第一时刻、第二时刻、第三时刻、第四时刻、第五时刻、第六时刻、间距以及宽度，计算得到所述铝制测量片与所述第一摩擦发电片完全重合时摩擦发电传感器的速度为第一运动速度、与所述第一摩擦发电片完全分离时摩擦发电传感器的速度为第二运动速度、离开所述第一摩擦发电片时并且接触第二摩擦发电片前摩擦发电传感器的速度为第三动速度、与所述第二摩擦发电片完全重合时摩擦发电传感器的速度为第四运动速度、与所述第二摩擦发电片完全分离时摩擦发电传感器的速度为第五运动速度；

加速度计算模块，根据所述第一运动速度、第二运动速度、第三运动速度、第四运动速度以及第五运动速度，计算得到所述铝制测量片通过所述第一摩擦发电片内的加速度为第一平均加速度、通过所述第一摩擦发电片和第二摩擦发电片之间距离时的加速度为第二平均加速度、通过所述第二摩擦发电片内的加速度为第三平均加速度；

速度时间关系模块，根据所述第一平均加速度、第二加速度以及第三加速度，构建线性拟合方程得到加速度和时间的关系式，并根据所述第一运动速度以及加速度和时间的关系式，得到所述待测设备的运动速度和时间的关系。

与现有技术相比，本发明提供的一种自供电运动传感器的信号处理方法及系统，所带来的有益效果为：利用接触式摩擦发电传感器安装在待测设备上，对采集得到电流信号进行处理，从而能够得到设备的运动速度图谱，能够精确地测量设备的位移、速度以及加速度；可以测量高频率的设备的往复运动，测量精度不受到测量次数的影响；摩擦发电传感器与测量机构一体化设计，其结构简单紧凑，易于部署，能够用于设备的振动状态测量等对传感器测量频率及复用性较高的场景。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的自供电运动传感器的信号处理方法的流程示意图。

图2是根据本发明的一个具体实施例的接触式摩擦发电传感器示意图。

图3是根据本发明的一个实施例的电流信号示意图。

图4是根据本发明的一个实施例的自供电运动传感器的信号处理系统的系统示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

如图1所示的本发明的一个实施例，本发明提供一种自供电运动传感器的信号处理方法，该方法包括步骤：

S1、沿着待测设备的运动方向在待测设备上布置一接触式摩擦发电传感器，所述接触式摩擦发电传感器包括第一摩擦发电片、第二摩擦发电片和铝制测量片，设置第一摩擦发电片和第二摩擦发电片之间的间距，所述第一摩擦发电片和第二摩擦发电片具有相同的宽度，所述铝制测量片与所述第一摩擦发电片和第二摩擦发电片之间产生摩擦时生成电信号；

S2、当所述待测设备运动时，在一运动周期内采集所述接触式摩擦发电传感器所产生的电流信号，得到基于采样时间点的电流信号序列；

S3、对所述电流信号序列进行信号处理，根据所述电流信号序列中每一个采样时间点上的电流信号的正负性，得到所述铝制测量片触碰到所述第一摩擦发电片的第一边缘时所对应的时间为第一时刻、 触碰到所述第一摩擦发电片的第二边缘时的时间为第二时刻、完全离开所述第一摩擦发电片时的时间为第三时刻、触碰到所述第二摩擦发电片的第一边缘时的时间为第四时刻、 触碰到所述第二摩擦发电片的第二边缘时的时间为第五时刻、完全离开所述第二摩擦发电片时的时间为第六时刻；

S4、根据所述第一时刻、第二时刻、第三时刻、第四时刻、第五时刻、第六时刻、间距以及宽度，计算得到所述铝制测量片与所述第一摩擦发电片完全重合时摩擦发电传感器的速度为第一运动速度、与所述第一摩擦发电片完全分离时摩擦发电传感器的速度为第二运动速度、离开所述第一摩擦发电片时并且接触第二摩擦发电片前摩擦发电传感器的速度为第三动速度、与所述第二摩擦发电片完全重合时摩擦发电传感器的速度为第四运动速度、与所述第二摩擦发电片完全分离时摩擦发电传感器的速度为第五运动速度；

S5、根据所述第一运动速度、第二运动速度、第三运动速度、第四运动速度以及第五运动速度，计算得到所述铝制测量片通过所述第一摩擦发电片内的加速度为第一平均加速度、通过所述第一摩擦发电片和第二摩擦发电片之间距离时的加速度为第二平均加速度、通过所述第二摩擦发电片内的加速度为第三平均加速度；

S6、根据所述第一平均加速度、第二加速度以及第三加速度，构建线性拟合方程得到加速度和时间的关系式，并根据所述第一运动速度以及加速度和时间的关系式，得到所述待测设备的运动速度和时间的关系。

沿着待测设备的运动方向在待测设备上布置一接触式摩擦发电传感器，所述接触式摩擦发电传感器包括第一摩擦发电片、第二摩擦发电片和铝制测量片，设置第一摩擦发电片和第二摩擦发电片之间的间距，所述第一摩擦发电片和第二摩擦发电片的宽度，所述铝制测量片与所述第一摩擦发电片和第二摩擦发电片之间产生摩擦时生成电信号。选取待测设备，沿着待测设备的运动方向，在待测设备上安装一个接触式摩擦发电传感器。该接触式摩擦发电传感器包括第一摩擦发电片、第二摩擦发电片和铝制测量片。第一摩擦发电片和第二摩擦发电片的宽度均为w。以第一个摩擦发电片的一边边缘作为测量起点。

作为本发明的一种实现方式，如图2所示的接触式摩擦发电传感器示意图。所述第一摩擦发电片的底部和第二摩擦发电片的底部连接在一起，设置第一摩擦发电片和第二摩擦发电片之间的间距为D_ab，该间距D_ab的大小接近于待测设备的运动幅度的最大值。所述第一摩擦发电片和第二摩擦发电片的结构相同，均包括第一聚合材料底衬1、铜片2、Kapton薄膜3，由外至内依次分别为第一聚合材料底衬1、铜片2、Kapton薄膜3，铜片2粘贴在第一聚合材料底衬上1，Kapton薄膜3粘贴在铜片2上。Kapton薄膜3和铝制测量片4之间接触但不粘贴在一起，二者之间存在摩擦并产生电信号。接触式摩擦发电传感器还包括第二聚合材料底衬5上，铝制测量片4粘贴在第二聚合材料底衬5上。第一聚合材料底衬1与待测设备的静止端6粘贴在一起，第二聚合材料底衬5与待测设备的运动端7粘贴在一起。

当所述待测设备运动时，在一运动周期内采集所述接触式摩擦发电传感器所产生的电流信号，得到基于采样时间点的电流信号序列。当待测设备运动时，带动铝制测量片运动，第一摩擦发电片和第二摩擦发电片分别与铝制测量片之间相对运动并产生了摩擦，第一摩擦发电片和第二摩擦发电片连接在一起，因此在接触式摩擦发电传感器的回路中产生电流信号。当待测设备运动时，在一运动周期内采集接触式摩擦发电传感器产生的电流信号，得到基于采样时间点的电流信号序列I（t）为：

（1）；

其中，t_M为采样时间点，I_M为采样时间点t_M对应的电流。如图3所示。

对所述电流信号序列进行信号处理，根据所述电流信号序列中每一个采样时间点上的电流信号的正负性，得到所述铝制测量片触碰到所述第一摩擦发电片的第一边缘时所对应的时间为第一时刻、 触碰到所述第一摩擦发电片的第二边缘时的时间为第二时刻、完全离开所述第一摩擦发电片时的时间为第三时刻、触碰到所述第二摩擦发电片的第一边缘时的时间为第四时刻、 触碰到所述第二摩擦发电片的第二边缘时的时间为第五时刻、完全离开所述第二摩擦发电片时的时间为第六时刻。具体地，对电流信号序列I（t）进行信号处理，在电流信号序列I（t）中，将电流信号第一次在零与非零之间转换时所对应的采样时间点记录为第一时刻T₁，即为铝制测量片刚刚触碰到所述第一摩擦发电片的第一边缘时所对应的时间；将电流信号第一次在正与负之间转换时所对应的采样时间点记录为第二时刻T₂，即为铝制测量片刚刚触碰到所述第一摩擦发电片的第二边缘时的时间；将电流信号第二次在零与非零之间转换时所对应的采样时间点记录为第三时刻T₃，即为铝制测量片完全离开所述第一摩擦发电片时的时间；将电流信号第三次在零与非零之间转换时所对应的采样时间点记录为第四时刻T₄，即为铝制测量片刚刚触碰到所述第二摩擦发电片的第一边缘时的时间；将电流信号第二次在正与负之间转换时所对应的采样时间点记录为第五时刻T₅，即为铝制测量片刚刚触碰到所述第二摩擦发电片的第二边缘时的时间；将电流信号第四次在零与非零之间转换时所对应的采样时间点记录为第六时刻T₆，即为铝制测量片完全离开所述第二摩擦发电片时的时间为第六时刻。

根据所述第一时刻T₁、第二时刻T₂、第三时刻T₃、第四时刻T₄、第五时刻T₅、第六时刻T₆、间距D_ab以及宽度w，计算得到所述铝制测量片与所述第一摩擦发电片完全重合时摩擦发电传感器的速度为第一运动速度V_a1、与所述第一摩擦发电片完全分离时摩擦发电传感器的速度为第二运动速度V_a2、离开所述第一摩擦发电片时并且接触第二摩擦发电片前摩擦发电传感器的速度为第三动速度V_ab、与所述第二摩擦发电片完全重合时摩擦发电传感器的速度为第四运动速度V_b1、与所述第二摩擦发电片完全分离时摩擦发电传感器的速度为第五运动速度V_b2。

其中，第一运动速度V_a1是指(T₁+T₂)/2时刻摩擦发电传感器的运动速度，其计算公式为：

（2）；

第二运动速度V_a2是指 (T₂+T₃)/2时刻摩擦发电传感器的运动速度，其计算公式为：

（3）；

第三运动速度V_ab是指(T₃+T₄)/2时刻摩擦发电传感器的运动速度，其计算公式为：

（4）；

第四运动速度V_b1是指(T₄+T₅)/2时刻摩擦发电传感器的运动速度，其计算公式为：

（5）；

第五运动速度V_b2是指(T₅+T₆)/2时刻摩擦发电传感器的运动速度，其计算公式为：

（6）。

根据所述第一运动速度V_a1、第二运动速度V_a2、第三运动速度V_ab、第四运动速度V_b1以及第五运动速度V_b2，计算得到所述铝制测量片通过所述第一摩擦发电片内的加速度为第一平均加速度a_a、通过所述第一摩擦发电片和第二摩擦发电片之间距离时的加速度为第二平均加速度a_ab、通过所述第二摩擦发电片内的加速度为第三平均加速度a_b。

第一平均加速度a_a是指(T₁+T₃)/2时刻铝制测量片通过第一摩擦发电片内的加速度，其计算公式为:

（7）；

第二平均加速度a_ab是指(T₂+T₅)/2时刻铝制测量片通过第一摩擦发电片和第二摩擦发电片之间的距离时的平均加速度，其计算公式为：

（8）；

第三平均加速度a_b是指(T₄+T₆)/2时刻铝制测量片通过第二摩擦发电片时的平均加速度，其计算公式为：

（9）。

根据所述第一平均加速度、第二加速度以及第三加速度，构建线性拟合方程得到加速度和时间的关系式，并根据所述第一运动速度以及加速度和时间的关系式，得到所述待测设备的运动速度和时间的关系。构建加速度与时间之间关系的线性方程式如下：

（10）；

其中，k₀、k₁、k₂为方程系数；

将计算得到的第一平均加速度a_a、第二平均加速度a_ab以及第三平均加速度a_b，分别代入方程式（10）中，求解得到系数k₀、k₁、k₂，进而得到加速度和时间的线性拟合关系式。

根据得到的加速度和时间的线性拟合关系式，以及计算得到的第一运动速度V_a1，通过公式（11）计算得到待测设备的运动速度和时间的关系式：

（11）。

当待测设备进行周期性往复运动时，重复进行上述步骤，获得待测设备运行每个运动周期内的加速度和速度图谱，进而完成设备的运动监测。

如图4所示的本发明的一个实施例，本发明提供一种自供电运动传感器的信号处理系统，所述系统包括：

接触式摩擦发电传感器40，沿着待测设备的运动方向在待测设备上布置一接触式摩擦发电传感器，所述接触式摩擦发电传感器包括第一摩擦发电片、第二摩擦发电片和铝制测量片，设置第一摩擦发电片和第二摩擦发电片之间的间距，所述第一摩擦发电片和第二摩擦发电片具有相同的宽度，所述铝制测量片与所述第一摩擦发电片和第二摩擦发电片之间产生摩擦时生成电信号；

电流信号测量模块41，当所述待测设备运动时，在一运动周期内采集所述接触式摩擦发电传感器所产生的电流信号，得到基于采样时间点的电流信号序列；

信号处理模块42，对所述电流信号序列进行信号处理，根据所述电流信号序列中每一个采样时间点上的电流信号的正负性，得到所述铝制测量片触碰到所述第一摩擦发电片的第一边缘时所对应的时间为第一时刻、 触碰到所述第一摩擦发电片的第二边缘时的时间为第二时刻、完全离开所述第一摩擦发电片时的时间为第三时刻、触碰到所述第二摩擦发电片的第一边缘时的时间为第四时刻、 触碰到所述第二摩擦发电片的第二边缘时的时间为第五时刻、完全离开所述第二摩擦发电片时的时间为第六时刻；

速度计算模块43，根据所述第一时刻、第二时刻、第三时刻、第四时刻、第五时刻、第六时刻、间距以及宽度，计算得到所述铝制测量片与所述第一摩擦发电片完全重合时摩擦发电传感器的速度为第一运动速度、与所述第一摩擦发电片完全分离时摩擦发电传感器的速度为第二运动速度、离开所述第一摩擦发电片时并且接触第二摩擦发电片前摩擦发电传感器的速度为第三动速度、与所述第二摩擦发电片完全重合时摩擦发电传感器的速度为第四运动速度、与所述第二摩擦发电片完全分离时摩擦发电传感器的速度为第五运动速度；

加速度计算模块44，根据所述第一运动速度、第二运动速度、第三运动速度、第四运动速度以及第五运动速度，计算得到所述铝制测量片通过所述第一摩擦发电片内的加速度为第一平均加速度、通过所述第一摩擦发电片和第二摩擦发电片之间距离时的加速度为第二平均加速度、通过所述第二摩擦发电片内的加速度为第三平均加速度；

速度时间关系模块45，根据所述第一平均加速度、第二加速度以及第三加速度，构建线性拟合方程得到加速度和时间的关系式，并根据所述第一运动速度以及加速度和时间的关系式，得到所述待测设备的运动速度和时间的关系。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。

Claims (10)

1.一种自供电运动传感器的信号处理方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

S1、沿着待测设备的运动方向在待测设备上布置一接触式摩擦发电传感器，所述接触式摩擦发电传感器包括第一摩擦发电片、第二摩擦发电片和铝制测量片，设置第一摩擦发电片和第二摩擦发电片之间的间距，所述第一摩擦发电片和第二摩擦发电片具有相同的宽度，所述铝制测量片与所述第一摩擦发电片和第二摩擦发电片之间产生摩擦时生成电信号；

S2、当所述待测设备运动时，在一运动周期内采集所述接触式摩擦发电传感器所产生的电流信号，得到基于采样时间点的电流信号序列；

S3、对所述电流信号序列进行信号处理，根据所述电流信号序列中每一个采样时间点上的电流信号的正负性，得到所述铝制测量片触碰到所述第一摩擦发电片的第一边缘时所对应的时间为第一时刻、 触碰到所述第一摩擦发电片的第二边缘时的时间为第二时刻、完全离开所述第一摩擦发电片时的时间为第三时刻、触碰到所述第二摩擦发电片的第一边缘时的时间为第四时刻、 触碰到所述第二摩擦发电片的第二边缘时的时间为第五时刻、完全离开所述第二摩擦发电片时的时间为第六时刻；

S4、根据所述第一时刻、第二时刻、第三时刻、第四时刻、第五时刻、第六时刻、间距以及宽度，计算得到所述铝制测量片与所述第一摩擦发电片完全重合时摩擦发电传感器的速度为第一运动速度、与所述第一摩擦发电片完全分离时摩擦发电传感器的速度为第二运动速度、离开所述第一摩擦发电片时并且接触第二摩擦发电片前摩擦发电传感器的速度为第三动速度、与所述第二摩擦发电片完全重合时摩擦发电传感器的速度为第四运动速度、与所述第二摩擦发电片完全分离时摩擦发电传感器的速度为第五运动速度；

S5、根据所述第一运动速度、第二运动速度、第三运动速度、第四运动速度以及第五运动速度，计算得到所述铝制测量片通过所述第一摩擦发电片内的加速度为第一平均加速度、通过所述第一摩擦发电片和第二摩擦发电片之间距离时的加速度为第二平均加速度、通过所述第二摩擦发电片内的加速度为第三平均加速度；

S6、根据所述第一平均加速度、第二加速度以及第三加速度，构建线性拟合方程得到加速度和时间的关系式，并根据所述第一运动速度以及加速度和时间的关系式，得到所述待测设备的运动速度和时间的关系。

2.如权利要求1所述的自供电运动传感器的信号处理方法，其特征在于，所述第一摩擦发电片和第二摩擦发电片的结构相同，均包括第一聚合材料底衬、铜片、Kapton薄膜，由外至内依次分别为第一聚合材料底衬、铜片、Kapton薄膜，所述铜片粘贴在所述第一聚合材料底衬上，所述Kapton薄膜粘贴在所述铜片上，所述Kapton薄膜和所述铝制测量片之间接触但不粘贴在一起，所述铝制测量片粘贴在第二聚合材料底衬上。

3.如权利要求2所述的自供电运动传感器的信号处理方法，其特征在于，所述接触式摩擦发电传感器还包括第二聚合材料底衬上，所述第一聚合材料底衬与待测设备的静止端粘贴在一起，所述第二聚合材料底衬与待测设备的运动端粘贴在一起。

4.如权利要求3所述的自供电运动传感器的信号处理方法，其特征在于，所述间距的大小接近于待测设备的运动幅度的最大值。

5.如权利要求4所述的自供电运动传感器的信号处理方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

电流信号序列I（t）为，

（1）；

其中，t_M为采样时间点，I_M为采样时间点t_M对应的电流；

将电流信号第一次在零与非零之间转换时所对应的采样时间点记录为第一时刻T₁；

将电流信号第一次在正与负之间转换时所对应的采样时间点记录为第二时刻T₂；

将电流信号第二次在零与非零之间转换时所对应的采样时间点记录为第三时刻T₃；

将电流信号第三次在零与非零之间转换时所对应的采样时间点记录为第四时刻T₄；

将电流信号第二次在正与负之间转换时所对应的采样时间点记录为第五时刻T₅；

将电流信号第四次在零与非零之间转换时所对应的采样时间点记录为第六时刻T₆。

6.如权利要求5所述的自供电运动传感器的信号处理方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

所述铝制测量片与所述第一摩擦发电片完全重合时摩擦发电传感器的第一运动速度V_a1的计算公式为：

（2）；

所述铝制测量片与所述第一摩擦发电片完全分离时摩擦发电传感器的第二运动速度V_a2的计算公式为：

（3）；

所述铝制测量片离开所述第一摩擦发电片时并且接触第二摩擦发电片前摩擦发电传感器的第三动速度V_ab的计算公式为：

（4）；

所述铝制测量片与所述第二摩擦发电片完全重合时摩擦发电传感器的第四运动速度V_b1的计算公式为：

（5）；

所述铝制测量片与所述第二摩擦发电片完全分离时摩擦发电传感器的第五运动速度V_b2的计算公式为：

（6）；

其中，w为第一摩擦发电片和第二摩擦发电片的宽度，D_ab为第一摩擦发电片和第二摩擦发电片之间的间距。

7.如权利要求6所述的自供电运动传感器的信号处理方法，其特征在于，所述步骤S5包括：

所述铝制测量片通过所述第一摩擦发电片内的加速度为第一平均加速度a_a的计算公式为：

（7）；

所述铝制测量片通过所述第一摩擦发电片和第二摩擦发电片之间距离时的加速度为第二平均加速度a_ab的计算公式为：

（8）；

所述铝制测量片通过所述第二摩擦发电片内的加速度为第三平均加速度a_b的计算公式为：

（9）。

8.如权利要求7所述的自供电运动传感器的信号处理方法，其特征在于，所述步骤S6包括：

构建加速度与时间之间关系的线性方程式如下：

（10）；

其中，k₀、k₁、k₂为方程系数；

将计算得到的第一平均加速度a_a、第二平均加速度a_ab以及第三平均加速度a_b，分别代入方程式（10）中，求解得到系数k₀、k₁、k₂，进而得到加速度和时间的线性拟合关系式。

9.如权利要求8所述的自供电运动传感器的信号处理方法，其特征在于，所述步骤S6还包括：

根据得到的加速度和时间的线性拟合关系式，以及计算得到的第一运动速度V_a1，通过公式（11）计算得到待测设备的运动速度和时间的关系式：

（11）。

10.一种自供电运动传感器的信号处理系统，其特征在于，所述系统包括：

接触式摩擦发电传感器，沿着待测设备的运动方向在待测设备上布置一接触式摩擦发电传感器，所述接触式摩擦发电传感器包括第一摩擦发电片、第二摩擦发电片和铝制测量片，设置第一摩擦发电片和第二摩擦发电片之间的间距，所述第一摩擦发电片和第二摩擦发电片具有相同的宽度，所述铝制测量片与所述第一摩擦发电片和第二摩擦发电片之间产生摩擦时生成电信号；

电流信号测量模块，当所述待测设备运动时，在一运动周期内采集所述接触式摩擦发电传感器所产生的电流信号，得到基于采样时间点的电流信号序列；

信号处理模块，对所述电流信号序列进行信号处理，根据所述电流信号序列中每一个采样时间点上的电流信号的正负性，得到所述铝制测量片触碰到所述第一摩擦发电片的第一边缘时所对应的时间为第一时刻、 触碰到所述第一摩擦发电片的第二边缘时的时间为第二时刻、完全离开所述第一摩擦发电片时的时间为第三时刻、触碰到所述第二摩擦发电片的第一边缘时的时间为第四时刻、 触碰到所述第二摩擦发电片的第二边缘时的时间为第五时刻、完全离开所述第二摩擦发电片时的时间为第六时刻；

速度计算模块，根据所述第一时刻、第二时刻、第三时刻、第四时刻、第五时刻、第六时刻、间距以及宽度，计算得到所述铝制测量片与所述第一摩擦发电片完全重合时摩擦发电传感器的速度为第一运动速度、与所述第一摩擦发电片完全分离时摩擦发电传感器的速度为第二运动速度、离开所述第一摩擦发电片时并且接触第二摩擦发电片前摩擦发电传感器的速度为第三动速度、与所述第二摩擦发电片完全重合时摩擦发电传感器的速度为第四运动速度、与所述第二摩擦发电片完全分离时摩擦发电传感器的速度为第五运动速度；

加速度计算模块，根据所述第一运动速度、第二运动速度、第三运动速度、第四运动速度以及第五运动速度，计算得到所述铝制测量片通过所述第一摩擦发电片内的加速度为第一平均加速度、通过所述第一摩擦发电片和第二摩擦发电片之间距离时的加速度为第二平均加速度、通过所述第二摩擦发电片内的加速度为第三平均加速度；

速度时间关系模块，根据所述第一平均加速度、第二加速度以及第三加速度，构建线性拟合方程得到加速度和时间的关系式，并根据所述第一运动速度以及加速度和时间的关系式，得到所述待测设备的运动速度和时间的关系。

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