CN112134488A - 一种基于摩擦纳米发电的多波形信号发生器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及波形发生器技术领域，更具体地，涉及一种基于摩擦纳米发电的多波形信号发生器及方法，该发生器包括可调速电机组以及受可调速电机组驱动的摩擦纳米发电单元，摩擦纳米发电单元包括壳体以及设于壳体内的转子，所述转子绕壳体中心转动，转子贴近壳体内壁的一面设有摩擦片；壳体内壁设有弧形电极层，电极层朝向壳体中心的一面贴合有介电薄膜。启动可调速电机组中的微型电机，微型电机驱动转子顺时针或逆时针转动，转子带动摩擦片同步转动，摩擦片与介电薄膜产生周期性摩擦，电极层因而产生电势差，最后电极层将电势差传递至输出电路，输出电路转换成波形电信号输出。本发明结构简单，发电能耗较低，而且可灵活输出不同的波形信号。
Description
技术领域
本发明涉及波形发生器技术领域，更具体地，涉及一种基于摩擦纳米发电的多波形信号发生器及方法。
背景技术
波形发生器是一种数据信号发生器，在调试硬件时，常使用波形发生器加入一些信号，以观察电路工作是否正常。而摩擦纳米发电技术自2012年由王中林院士团队正式提出后，近年来其在能源收集和传感器领域大放异彩。其利用摩擦发电和静电感应的耦合原理，可以高效的收集能量。在能量收集领域，其可以用于收集海洋能、风能、振动能等等；在传感器领域，摩擦纳米发电机可作为速度、加速度、压力、气体浓度等传感器。目前暂未有发现将摩擦纳米发电技术与波形发生器之间进行结合使用。
公开号为CN108768202B的中国专利在2018年11月06公开了纳米发电机以及纳米发电机***，该技术方案采用相互转动的摩擦组件进行摩擦纳米发电，但是未结合波形发生器进行使用，并且无法进行输出调节。
发明内容
本发明突破性地将摩擦纳米发电技术应用于波形发生器，提供一种基于摩擦纳米发电的多波形信号发生器及方法，结构简单，发电能耗较低，而且可灵活输出不同的波形信号。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于摩擦纳米发电的多波形信号发生器，包括可调速电机组以及受可调速电机组驱动的摩擦纳米发电单元，所述摩擦纳米发电单元包括壳体以及设于壳体内的转子，所述转子绕壳体中心转动，转子贴近壳体内壁的一面设有摩擦片；所述壳体内壁设有弧形电极层，电极层朝向壳体中心的一面贴合有介电薄膜；当转子转动至介电薄膜位置时，摩擦片与介电薄膜表面产生摩擦；所述电极层外接有输出电路。输出电路为现有的常用整流稳压电路，主要用于将电势差转换成稳定的波形信号向外输出。
转子没有发生转动时，摩擦纳米发电单元不会产生电势差。转子发生转动时，转子上的摩擦片与介电薄膜发生相对摩擦分离，由于两种材料具有不同的电极序，所以在发生相对转动时，在两者的表面就会分别带上异种电荷，此时附着于介电薄膜后面的弧形电极层感应出正电荷，这时电极层与接地端产生电势差，从而驱动电子的流动在输出电路中产生电信号输出，即输出波形信号。
进一步地，所述壳体呈圆环形。壳体为圆环壳体，转子位于壳体中，绕壳体中心轴线转动，并与壳体内壁上的介电薄膜发生相对摩擦分离。
进一步地，所述转子的轴向截面为扇形结构，圆心角大小为(0，180)；所述摩擦片为弧形，摩擦片与转子的圆心角相等。基于摩擦纳米发电原理，摩擦片与介电薄膜之间不能持续摩擦接触，转子选择为扇形结构时，随着转子旋转，附于转子的摩擦片与介电薄膜之间为间歇性的，也为周期性的摩擦。
可替代地，所述转子的轴向截面为圆形结构，所述摩擦片为弧形，摩擦片的圆心角大小为(0，180)。转子也可以为圆柱形结构，摩擦片为圆弧形，附于圆柱形转子外壁，与介电薄膜间隙性摩擦。
进一步地，所述摩擦片与介电薄膜接触的一面设有纳米至微米级凸起的微结构。摩擦片的摩擦接触面分布有纳米至微米级的微结构，此为公知的摩擦纳米发电技术包含的结构，为摩擦纳米发电原理的核心。
进一步地，所述微结构为线状或立方体状或者四棱锥状的纳米阵列。纳米阵列可以通过光刻蚀等离子刻蚀方法制备。
进一步地，所述微结构由纳米线、纳米管、纳米棒、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、纳米球中的一种或多种结构排列组成。阵列中每个单元的尺寸在微米到纳米量级，只要不影响微结构的机械强度，具体的单元尺寸和形状可以多样。
进一步地，所述介电薄膜的材质为聚四氟乙烯(PTFE)。介电薄膜为位于电序列表中易带负电的高分子材料，为了提高其输出的电信号，在介电薄膜的表面部分同样分布有纳米至微米级的微结构。
进一步地，所述可调速电机组包括微型电机以及用于调节微型电机的调速器，所述微型电机的输出轴与转子相连接。可调速电机组外接电源，微型电机的输出轴连接壳体中心位置。
基于摩擦纳米发电的多波形信号发生器，其发生方法包括以下步骤：
S1启动可调速电机组中的微型电机，微型电机驱动转子顺时针或逆时针转动。顺时针与逆时针的发电原理相同。
S2所述转子带动摩擦片同步转动，所述摩擦片与介电薄膜产生周期性摩擦，从而产生电势差。当摩擦片旋转至与介电薄膜发生纳米摩擦时，原本的静电平衡被打破，此时，介电薄膜表面感应出负电，电极层表面感应出正电，电子从接地一端流向电极层，直到摩擦片与介电薄膜完全重合。当摩擦片开始与介电薄膜分离时，电子发生回流，产生一个相反的电信号。该过程为一个周期，产生一个正弦波电信号。
S3电极层将电势差传递至输出电路，输出电路转换成波形电信号输出。摩擦纳米发电单元产生的电信号通过输出电路对外输出波形信号。
S4调节S1中可调速电机组的调速器，改变转子转速，改变摩擦周期，产生不同波形电信号。转子在壳体内不断旋转，附于转子上的摩擦片与壳体内壁上的介电薄膜发生周期性摩擦，通过改变转子转速可以改变其产生电信号的幅值和频率。
S5改变摩擦纳米发电的多波形信号发生器中摩擦片的摩擦面积，同样改变摩擦周期，产生不同波形电信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明公开了一种基于摩擦纳米发电的多波形信号发生器及方法，结合摩擦纳米发电技术，发电能耗低，机构简单可调，且操作便捷，可灵活输出不同的波形信号。
附图说明
图1是本发明实施例1整体结构示意图。
图2是本发明实施例1摩擦纳米发电单元结构示意图。
图3是本发明实施例1结构***图。
图4是本发明原理流程示意。
图5是本发明实施例2摩擦纳米发电单元结构示意图。
图6是本发明实施例1的输出电路简图。
其中，1摩擦纳米发电单元，2壳体，3转子，4摩擦片，5电极层，6介电薄膜，7输出电路，8微型电机，9调速器。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1
如图1-3所示，本发明提供了一种基于摩擦纳米发电的多波形信号发生器，包括可调速电机组以及受可调速电机组驱动的摩擦纳米发电单元1。
其中，摩擦纳米发电单元1包括圆环形的壳体2以及设于壳体2内的转子3，转子3绕壳体2中心转动。同时，可调速电机组包括微型电机8以及用于调节微型电机8的调速器9，微型电机8的输出轴连接壳体2中心位置，并与转子3相连接，而且可调速电机组外接电源。
具体地，转子3的轴向截面为扇形结构，其圆心角大小为90°。转子3贴近壳体2内壁的一面附有摩擦片4，本实施例中摩擦片4为弧形，摩擦片4与转子3的圆心角相等。
同时，壳体2内壁设有弧形电极层5，电极层5朝向壳体2中心的一面贴合有介电薄膜6，本实施例中，弧形电极层5、介电薄膜6的圆心角也为90°，所以转子3旋转时，有一瞬间，摩擦片4与介电薄膜6的接触面完全重合。
具体地，摩擦片4与介电薄膜6接触的一面设有纳米至微米级凸起的微结构，该微结构由纳米线、纳米管、纳米棒、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、纳米球中的一种或多种结构排列组成，通过光刻蚀等离子刻蚀方法制备，形成线状，或立方体状，或四棱锥状的纳米阵列。
介电薄膜6的材质为聚四氟乙烯(PTFE)，介电薄膜6为位于电序列表中易带负电的高分子材料，为了提高其输出的电信号，在介电薄膜6的表面部分同样分布有纳米至微米级的微结构。当转子3转动至介电薄膜6重合位置时，摩擦片4与介电薄膜6表面产生摩擦。
另外，电极层5外接有输出电路7，对外输出电信号，如图6所示，输出电路与摩擦纳米发电单元1相接，图中摩擦纳米发电单元示意为TENG。
转子3没有发生转动时，摩擦纳米发电单元1不会产生电势差。由于发电原理相同，以下以其中最为基础的顺时针转动方式阐述电信号产生的原理。
该多波形信号发生方法包括以下步骤：
S1启动可调速电机组中的微型电机8，微型电机8驱动转子3顺时针转动。
S2转子3带动摩擦片4同步转动，摩擦片4与介电薄膜6产生周期性摩擦，电极层5因而产生电势差。具体为：转子3上的摩擦片4与介电薄膜6发生相对摩擦分离，由于摩擦片4、介电薄膜6两种材料具有不同的电极序，所以在发生相对转动时，在两者的表面就会分别带上异种电荷，此时，介电薄膜6表面感应出负电，电极层5表面感应出正电，此时电子从接地一端流向电极层5，直到摩擦片4与介电薄膜6完全重合，当摩擦片4开始与介电薄膜6分离时，电子发生回流，产生一个相反的电信号。
如图4所示，摩擦片4随着转子3转动，当靠近介电薄膜6时，两者之间的接触面积逐渐增大，此时两者表面的异种电荷逐渐增多，产生的感应电势差逐渐增大，当两者之间的接触面积最大时电势差将达到峰值；之后，随着转子3转动，两者逐渐脱离，接触面积逐渐减少，两者表面的异种电荷逐渐减少，产生的感应电势差也将逐渐减少，如此周期性循环，该循环形式下将输出连续的正弦波形电信号
S3电极层5将电势差传递至输出电路7，驱动电子的流动在输出电路7中产生电信号输出，输出电路7转换成波形电信号输出。
S4调节S1中可调速电机组的调速器9，改变转子3转速，改变摩擦周期，通过改变转子3转速可以改变其产生电信号的幅值和频率，产生不同波形电信号。
S5同理，改变摩擦纳米发电的多波形信号发生器中摩擦片4的摩擦面积，同样改变摩擦周期，产生不同波形电信号。
实施例2
如图5所示，本实施例也提供了一种基于摩擦纳米发电的多波形信号发生器，基本原理与实施例1相似，不同之处在于，本实施例中转子3的轴向截面为圆形结构，即转子3为圆柱形结构，但摩擦片4依然为弧形，摩擦片4的圆心角大小为90°，在转子3旋转时，摩擦片4与介电薄膜6的摩擦过程相同。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于摩擦纳米发电的多波形信号发生器，其特征在于：包括可调速电机组以及受可调速电机组驱动的摩擦纳米发电单元(1)，所述摩擦纳米发电单元(1)包括壳体(2)以及设于壳体(2)内的转子(3)，所述转子(3)绕壳体(2)中心转动，转子(3)贴近壳体(2)内壁的一面设有摩擦片(4)；所述壳体(2)内壁设有弧形的电极层(5)，电极层(5)朝向壳体(2)中心的一面贴合有介电薄膜(6)；当转子(3)转动至介电薄膜(6)位置时，摩擦片(4)与介电薄膜(6)表面产生摩擦；
所述电极层(5)外接有输出电路(7)。
2.根据权利要求1所述基于摩擦纳米发电的多波形信号发生器，其特征在于：所述壳体(2)呈圆环形。
3.根据权利要求2所述基于摩擦纳米发电的多波形信号发生器，其特征在于：所述转子(3)的轴向截面为扇形结构，圆心角大小为(0，180)；所述摩擦片(4)为弧形，摩擦片(4)与转子(3)的圆心角相等。
4.根据权利要求2所述基于摩擦纳米发电的多波形信号发生器，其特征在于：所述转子(3)的轴向截面为圆形结构，所述摩擦片(4)为弧形，摩擦片(4)的圆心角大小为(0，180)。
5.根据权利要求3或4所述基于摩擦纳米发电的多波形信号发生器，其特征在于：所述摩擦片(4)与介电薄膜(6)接触的一面设有纳米至微米级凸起的微结构。
6.根据权利要求5所述基于摩擦纳米发电的多波形信号发生器，其特征在于：所述微结构为线状或立方体状或者四棱锥状的纳米阵列。
7.根据权利要求6所述基于摩擦纳米发电的多波形信号发生器，其特征在于：所述微结构由纳米线、纳米管、纳米棒、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、纳米球中的一种或多种结构排列组成。
8.根据权利要求7所述基于摩擦纳米发电的多波形信号发生器，其特征在于：所述介电薄膜(6)的材质为聚四氟乙烯。
9.根据权利要求8所述基于摩擦纳米发电的多波形信号发生器，其特征在于：所述可调速电机组包括微型电机(8)以及用于调节微型电机(8)的调速器(9)，所述微型电机(8)的输出轴与转子(3)相连接。
10.一种基于摩擦纳米发电的多波形信号发生方法，根据权利要求9所述基于摩擦纳米发电的多波形信号发生器，其特征在于：包括以下步骤：
S1启动可调速电机组中的微型电机(8)，微型电机(8)驱动转子(3)顺时针或逆时针转动；
S2所述转子(3)带动摩擦片(4)同步转动，所述摩擦片(4)与介电薄膜(6)产生周期性摩擦，电极层(5)因而产生电势差；
S3电极层(5)将电势差传递至输出电路(7)，输出电路(7)转换成波形电信号输出；
S4调节S1中可调速电机组的调速器(9)，改变转子(3)转速，改变摩擦周期，产生不同波形电信号；
S5改变摩擦纳米发电的多波形信号发生器中摩擦片(4)的摩擦面积，同样改变摩擦周期，产生不同波形电信号。
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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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