CN114324144B - 一种基于折纸-摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于折纸‑摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测装置及其方法，自驱动折纸‑摩擦纳米发电抗滑检测结构采用折纸的多层结构，以显著放大所采用的摩擦纳米发电原理的输出效果；电刷滑环结构用于防治轮胎旋转时导线的相互缠绕；旋转电机稳定架采用铝合金材料，制作成稳定的三角结构，旋转电机可调节频率，以模拟车辆行驶时的不同车速；试验测试板可根据实际路面设计不同的级配要求；信号采集装置用于实时采集自驱动感知元件的电学输出；信号处理软件可对采集信号进行降噪、滤波和平滑等的处理。与现有技术相比，本发明具有抗滑性实时监测、信息感知灵敏、构造简单、选材广泛和成本低廉等优点。

Description

一种基于折纸-摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测 装置及其方法

技术领域

本发明涉及用于沥青路面抗滑性检测领域，尤其是涉及一种基于折纸-摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测装置及检测方法。

背景技术

抗滑性是路面表面特性的重要特征之一，而路面抗滑性不足是造成交通事故的主要原因，轮胎-路面间的摩擦系数是衡量抗滑性能的主要指标。沥青路面的摩擦系数主要受到水膜、温度、表面污染物及路面结构类型等多种因素的影响。其中，包括水膜、温度和表面污染物在内的外界环境因素对路面抗滑性的影响远超过路面结构本身。相比于干燥路面，润湿状态下的抗滑性成倍降低，沥青路面由于污染物的存在抗滑性能也会降低7％～50％。

然而，沥青路面抗滑性的直接检测方法存在很大的不足，抗滑性测试设备价格昂贵、实验数据难以做到可靠稳定，且单一室内实验测试结果难以反映道路使用过程中抗滑性能的变化。因此，沥青路面抗滑性能的间接测试对路面行车安全的提高具有重要意义。随着物联网信息技术的发展，利用自驱动无源传感器的信号输出解析摩擦系数为路面抗滑性能的实时监测提供了新的思路。

现阶段，基于电磁感应、光电、压电和热释电效应的自驱动传感技术已被深入研究，但它们均具有能量转换效率低、频带窄以及信号灵敏度过大等缺陷。自从摩擦纳米发电技术被发现后，大量研究发现其开路电压和瞬时能量转换效率远高于压电、磁电等其他装置。为进一步提高其能量输出效率，结构优化设计被视为一种简单有效的策略。而折纸结构的可展开性、负泊松比以及较大的刚度这些优异的性能成为提高摩擦纳米发电输出的最优选结构之一。综上所述，能设计一种基于折纸-摩擦纳米发电的路面抗滑性检测装置及其方法，在收集道路系统中车辆行驶浪费的机械能的同时，利用其输出的电信号感知沥青路面的抗滑性在道路工程检测领域具有较大的应用前景。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种路面抗滑性检测和高输出电压高、高转化效率而低廉成本的基于折纸-摩擦纳米发电的路面抗滑性检测装置及其方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于折纸-摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测装置，其特征在于，包括：自驱动折纸-摩擦纳米发电抗滑检测结构(1)、电刷滑环结构(2)、旋转电机及稳定架(3)、试验测试板(4)、信号采集装置(5)和信号处理软件(6)；

所述的自驱动折纸-摩擦纳米发电抗滑检测结构(1)被固定于轮胎表面，通过轮胎与试验测试板(4)接触摩擦来感知抗滑性；

稳定架上的电机驱动自驱动折纸-摩擦纳米发电抗滑检测结构(1)跟随轮胎一起旋转；

电刷滑环结构(2)与试验测试板(4)分别与信号采集装置(5)连接；

信号采集装置(5)将数据提供给PC中的信号处理软件(6)进行处理、分析、显示。

所述的自驱动折纸-摩擦纳米发电抗滑检测结构(1)，包括折纸基支撑结构、电极层结构和摩擦层结构；所述的折纸基结构作为电极层和摩擦层结构的载体，由内而外依次为折纸结构、电极层结构和摩擦层结构；

其中，在电极层结构的内部需连接导线用于与电刷滑环结构(2)外接电路一起构成回路。

所述的多层折纸支撑结构采用吉村模式构型，该折叠单元呈现为等腰梯形或菱形，具有高折痕稳定性、易折叠展开以及折痕图中的谷线轴向垂直的特征。多层折纸结构的优化设计巧妙而简单的显著放大了摩擦起电和静电感应现象。

所述的电刷滑环结构(2)，采用密封、中空型，一方面防治轮胎测试旋转过程中不同导线的相互缠绕，一方面避免出现导电、漏电现象。

所述的旋转电机及稳定架(3)：采用稳定的三角结构，主要用于支撑旋转电机主体；所述的旋转电机为可变速型的旋转电机，不同频率的旋转速度用于模拟不同车速下轮胎的转动。

所述的试验测试板(4)采用道路工程实验中的常规尺寸300×300×50mm。可根据实际情况成型沥青混合料(AC)、沥青马蹄脂(SMA)和排水式沥青磨层(OGFC)板或切割水泥混凝土板。

所述的信号采集装置(5)采用Keithley 6517B静电计，利用信号处理软件(6)对电学信号进行降噪、滤波和平滑等处理。

一种基于折纸-摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测方法，其特征在于，所述的检测方法包括以下步骤：

第一步：集成于轮胎的折纸-摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测结构的制备及电信号输出表征，现场要求试验测试板的成型安装；

第二步：通过室内试验，利用摆式仪测定并计算不同路面结构的摩擦系数；

第三步：旋转电机不同速度测试的设备调试，路面摩擦系数的测定及抗滑性测试，包括对采集数据的降噪、滤波和平滑等，并进一步提取电信号峰值；

第四步：自驱动传感电学信号-路面抗滑性关联性分析：输出短路电流峰值与摩擦系数呈线性关系，令I代表折纸-摩擦纳米发电自驱动抗滑检测结构输出电流峰值，μ代表测试路面的摩擦系数，利用如下计算方法：

所述的路面自驱动抗滑性检测装置，用于感知不同粗糙程度(新建路面、长时间磨损)、润湿情况(不同潮湿程度、水膜厚度)、温度(-10℃、0℃及35℃等)和不同车速等由于自身结构变化或外界环境引起的路面抗滑性的改变时的检测。

所述的路面自驱动抗滑性检测方法，利用摩擦系数实时检测、转换和感知的方法，适用于道路结构的抗滑性感知，对降低交通事故，提高道路安全性具有十分重要的意义。

优选地，所述的抗滑性检测结构采用多层折纸结构作为检测装置的支撑结构，具有横向可延展、纵向刚度大和负泊松比的特征；所述的折纸结构选材广泛，包括柔性、易折叠的塑料PET和聚酰亚胺Kapton。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一、实现实时感知抗滑性，感知灵敏度高：本发明中基于折纸-摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测装置，利用路面摩擦性能与摩擦纳米发电结构电学信号的关联性，实现实时路面抗滑能力的实时感知；同时，多层折纸结构的使用显著放大了电信号输出，采用简单的方法高效的提高了抗滑性感知灵敏度。

二、结构简单，摒弃复杂的结构处理和设计：本发明中的路面抗滑性检测装置摒弃复杂宏观结构和微观化学/物理刻蚀工艺、微纳结构生长等复杂工序，而是通过多层折纸结构来显著提高简单的单层垂直接触-分离模式的摩擦纳米发电机的接触摩擦面积。

三、成本低廉：本发明中的路面抗滑性检测装置，由于万物皆可发电，万物均有摩擦，造成其选材广泛的特点极大的降低了装置制作成本。

附图说明

图1为本发明中基于折纸-摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测装置示意图；

图2为本发明中基于折纸-摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测装置折纸结构折痕示意图；

图3为本发明中基于折纸-摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测装置结构主体示意图；

图4为本发明中基于折纸-摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测装置结构主体电学信号测试外接电路图；

图5为本发明中基于折纸-摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测装置不同负载电阻下的开路电压；

图6为本发明中基于折纸-摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测装置不同负载电阻下的短路电流；

图7为本发明实施例中基于折纸-摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测装置不同粗糙度路表下的输出电流。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例1

为有力阐述本发明所设计的一种基于折纸-摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测装置作为一种电学类传感器的合理性，设计本实施案例1开展对其电学性能的研究。

一种基于折纸-摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测装置，其结构如图1所示，包括自驱动折纸-摩擦纳米发电抗滑检测结构1、电刷滑环结构2、旋转电机稳定架3、试验测试板4、信号采集装置5和信号处理软件6。抗滑性检测结构1被固定于轮胎表面，直接与试验测试板4接触摩擦来感知抗滑性。

自驱动折纸-摩擦纳米发电抗滑性检测装置1所采用的折痕结构如图2所示，谷线表示向下折出，脊线表示向上折起，所折成的三维结构以多层折纸结构作为整个检测装置的支撑结构，具有横向可延展、纵向较大刚度和负泊松比的特征；采用吉村模式构型，该折叠单元呈现为等腰直角三角形，具有高折痕稳定性、易折叠展开以及折痕图中的谷线轴向垂直的特征，其三维结构如图3所示。

本实施例中的自驱动折纸-摩擦纳米发电抗滑性检测结构1，如图3所示，包含四个完全相同的摩擦对(相邻的两灰色和白色的等腰直角三角形构成一对摩擦对)单元，四个摩擦层单元并联连接构成四个不同的相位，一方面多个结构的并联起到显著放大电学输出的效果，另一方面也可以相互补充协调其他相位的不足。

本实施例中研究自驱动折纸-摩擦纳米发电抗滑性检测结构1电学信号的试验所需的主要设备有静电计、激振器和电阻箱(阻值范围0.1—10GΩ)。静电计与抗滑性检测结构的导线连接，并以开路电压或短路电流的形式输出。激振器则可通过机械振动来实现抗滑性检测结构正负摩擦层的周期性“接触-分离”从而摩擦产生电能。

电压测试时需要将折纸-摩擦纳米发电的抗滑性检测结构与静电计和电阻箱并联；电流测试时则将本实施例所采用的结构与静电计和电阻箱串联，如图4所示，电阻箱分别并串联连接的目的主要是用来测定不同外接负载电阻下抗滑性检测结构信号的输出。

测试的实验步骤包括：

(1)依次准备排布好试验仪器，将抗滑性检测结构固定在激振器的振动板上，使其可根据调节激振器的频率而以不同速率振动；

(2)将抗滑性检测结构上的导线连接至静电计的正负极处，以采集其在接触摩擦过程中产生的电学信号，并将电子静电计连接电脑以显示并储存开路电压与短路电流的数据；

(3)将抗滑性检测结构先与静电计相连，之后将电阻箱接入电路。将电阻箱依次设置为1MΩ、10MΩ、100MΩ、1GΩ、10GΩ，再缩小范围依次设置为20MΩ、30MΩ、40MΩ、50MΩ、60MΩ、70MΩ、80MΩ，多次循环测试，以减少偶然误差。

(4)借助Origin作图软件将不同条件下所测得的电压和电流数据，以时间为横坐标，电学信号为纵坐标，分析不同阻值下的电学信号。

不同外接负载电阻下的开路电压和短路电流如图5和图6所示，可以看出当外接负载电阻在1MΩ-10GΩ的范围内变化时，随着外接负载电阻的增大，开路电压逐渐变大，而短路电流逐渐减小；在负载电阻小于100MΩ时，开路电压的变化趋势显著，但超过100MΩ后，开路电压变化比较微弱甚至几乎不变；而短路电流随负载电阻的变化趋势恰好相反。但100MΩ仍然可视为一个转折的外接负载电阻值。以上充分说明了本发明所要保护的一种基于折纸-摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测装置摩擦纳米发电机基本输出规律，具有与之相匹配的外接电阻，可视为一种自驱动感知设备。

实施例2

进一步地，本实施例中制备成型不同粗糙度的OGFC-13车辙板，以实际验证实施例1所构建的一种基于折纸-摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测装置对抗滑性能的感知能力。具体地，为减小OGFC车辙板表面的粗糙度，将其中一块车辙板表面抛光，以形成显著摩擦系数对比的车辙板表面。

本实施例中的正极摩擦层、正极电极和负极电极均为铜箔，负极摩擦层为由聚四氟乙烯PTFE制成的摩擦层，在垂直接触-分离模式下，其可点亮100个LED二极管。

将本实施例中制备的抗滑性检测结构安装到轮胎外表面上，实验步骤包括如下：

(1)在固定好抗滑性检测结构后，为使轮胎转动平衡，在轮胎对称的位置同样固定一个不接入外接电路的摩擦纳米发电装置防止旋转失衡；

(2)将固定好的抗滑性检测结构的正负极导线分别与轮胎轴线方向的两根过渡导线的一端连接，使过渡导线的另一端从侧面穿出，以防止轮胎旋转过程中，由于导线随之旋转而造成导线缠绕，最后引发安全事故。

(3)放置制备好的OGFC车辙板，使得轮胎在车辙板上以一定的速度滚动。调随着轮胎的滚动，抗滑性检测结构周期性的与车辙板接触摩擦，并产生电学信号的输出，同样通过静电计收集并记录抗滑性检测结构输出的电学信号(电压与电流)。

(4)完成OGFC车辙板的测试后，按照相同的步骤进行抛光后车辙板电学信号的测试与记录

(5)完成实验后，利用Origin数据处理软件对实验结果进行处理，并绘制相应的图像。

采用不同粗糙度路面结构(OGFC车辙板和抛光后车辙板)的输出电流如图7所示，低抗滑性能车辙板(抛光后的车辙板)所对应的输出电流要远远小于高抗滑性能车辙板(原OGFC车辙板)，约为高抗滑性能车辙板电流的一半，主要是因为低抗滑性能车辙板表面更加光滑，有着更低的摩擦系数，使得摩擦纳米发电机在运行时接触压力更小，造成了其表现为更低的电流信号。因此，图7也进一步证明本实施例及本发明中所提出的路面抗滑性检测装置在测试路面抗滑性的有效性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于折纸-摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测装置的检测方法，其特征在于，所述基于折纸-摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测装置包括：自驱动折纸-摩擦纳米发电抗滑检测结构(1)、电刷滑环结构(2)、旋转电机及稳定架(3)、试验测试板(4)、信号采集装置(5)和信号处理软件(6)；

所述自驱动折纸-摩擦纳米发电抗滑检测结构(1)被固定于轮胎表面，通过轮胎与试验测试板(4)接触摩擦来感知抗滑性；

稳定架上的电机驱动自驱动折纸-摩擦纳米发电抗滑检测结构(1)跟随轮胎一起旋转；

电刷滑环结构(2)与试验测试板(4)分别与信号采集装置(5)连接；

信号采集装置(5)将数据提供给PC中的信号处理软件(6)进行处理、分析、显示；

所述检测方法包括以下步骤：

第一步：集成于轮胎的折纸-摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测结构的制备及电信号输出表征，现场要求试验测试板的成型安装；

第二步：通过室内试验，利用摆式仪测定并计算不同路面结构的摩擦系数；

第三步：旋转电机不同速度测试的设备调试，路面摩擦系数的测定及抗滑性测试，包括对采集数据的降噪、滤波和平滑，并进一步提取电信号峰值；

第四步：自驱动传感电学信号-路面抗滑性关联性分析：输出短路电流峰值与摩擦系数呈线性关系，令I代表折纸-摩擦纳米发电自驱动抗滑检测结构输出电流峰值，μ代表测试路面的摩擦系数，利用如下计算方法：

2.根据权利要求1所述的一种基于折纸-摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测装置的检测方法，其特征在于，所述的自驱动折纸-摩擦纳米发电抗滑检测结构(1)，包括折纸基支撑结构、电极层结构和摩擦层结构；所述的折纸基支撑结构作为电极层结构和摩擦层结构的载体，由内而外依次为折纸基支撑结构、电极层结构和摩擦层结构；

其中，在电极层结构的内部需连接导线用于与电刷滑环结构(2)外接电路一起构成回路。

3.根据权利要求2所述的一种基于折纸-摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测装置的检测方法，其特征在于，所述的折纸基支撑结构采用吉村模式构型，呈现为等腰梯形或菱形，具有高折痕稳定性、易折叠展开以及折痕图中的谷线轴向垂直的特征。

4.根据权利要求1所述的一种基于折纸-摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测装置的检测方法，其特征在于，所述的电刷滑环结构(2)，采用密封、中空型。

5.根据权利要求1所述的一种基于折纸-摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测装置的检测方法，其特征在于，所述的旋转电机及稳定架(3)：采用稳定的三角结构，主要用于支撑旋转电机主体；所述的旋转电机为可变速型的旋转电机，不同频率的旋转速度用于模拟不同车速下轮胎的转动。

6.根据权利要求1所述的一种基于折纸-摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测装置的检测方法，其特征在于，所述的试验测试板(4)采用道路工程实验中的常规尺寸300×300×50mm，根据实际情况成型沥青混合料AC、沥青马蹄脂SMA和排水式沥青磨层OGFC板或切割水泥混凝土板。

7.根据权利要求1所述的一种基于折纸-摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测装置的检测方法，其特征在于，所述的信号采集装置(5)采用Keithley 6517B静电计，利用信号处理软件(6)对电学信号进行降噪、滤波和平滑处理。

8.根据权利要求1所述的一种基于折纸-摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测装置的检测方法，其特征在于，所述基于折纸-摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测装置，用于感知不同粗糙程度、润湿情况、温度和不同车速由于自身结构变化或外界环境引起的路面抗滑性的改变时的检测。

9.根据权利要求1所述的一种基于折纸-摩擦纳米发电技术的路面自驱动抗滑性检测装置的检测方法，其特征在于，利用摩擦系数实时检测、转换和感知的方法，适用于道路结构的抗滑性感知。