CN113390332A - 一种基于摩擦纳米发电机的自供能旋转传感器 - Google Patents

一种基于摩擦纳米发电机的自供能旋转传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于摩擦纳米发电机的自供能旋转传感器。自供能旋转传感模块和共轴锥齿轮驱动模块连接，自供能旋转传感模块包括上栅极摩擦电圆盘和下栅极摩擦电圆盘，共轴锥齿轮驱动模块包括内轴旋转部件、外轴旋转部件、主运动轴部件和支架，上栅极摩擦电圆盘与内轴旋转部件连接，下栅极摩擦电圆盘与外轴旋转部件连接，内轴旋转部件和外轴旋转部件均与主运动轴部件啮合，同时内轴旋转部件、外轴旋转部件、主运动轴部件安装于支架上。本发明实现了自驱动性能，电信号也可作为传感信号进行输出；输出的电信号频率和转速之间的灵敏度有提高，根据短路电荷的频率、短路电流的幅值和频率，可以判断当前的转速大小。

Description

一种基于摩擦纳米发电机的自供能旋转传感器
技术领域
本发明涉及自供能传感器技术领域，尤其涉及一种能将外界的旋转激励中的机械能转换为电信号输出的自供能多功能旋转传感器。
背景技术
随着信息技术物联网“Internet of things(IOT)”的快速发展，物联网通过智能传感、识别和响应等技术，促进了器件和网络的融合，被誉为继计算机、互联网之后全球信息化产业发展的第三次热潮。物联网技术有望服务于智能家居、安防隐私、健康监测、基建维护、物流供应和环境保护等领域。然而，实现“万物互联”需要广泛分布的信息采集传感器件，驱动单个传感器所需要的能源供应是简单的，但驱动数以万计的传感器需要的能源是复杂的，这其中存在着如电池的寿命有限，大面积分布维护成本高，电池废置易导致环境污染等问题。
此外，在一些工程器件中，存在着大量的旋转部件，而这些部件的旋转过程常常需要得到实时的检测，便于工程师实现后续的控制，监控，维护等。但目前存在的旋转传感器，例如角编码盘、霍尔传感器、角速度传感器等等，都离不开外部持续的供电，才能保持稳定长时间的运行。同时，上述传感器功能单一，无法同步实时地检测角位移，角速度，角加速度等多个旋转物理量参数。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够实现自供能，并且可以实时地将外界旋转激励中的机械能转换为电信号输出的自供能旋转传感器。
本发明包括包括自供能旋转传感模块和共轴锥齿轮驱动模块，自供能旋转传感模块和共轴锥齿轮驱动模块同轴连接，自供能旋转传感模块包括从上而下依次同轴布置的上栅极摩擦电圆盘和下栅极摩擦电圆盘，共轴锥齿轮驱动模块包括内轴旋转部件、外轴旋转部件、主运动轴部件和支架，上栅极摩擦电圆盘与内轴旋转部件连接，下栅极摩擦电圆盘与外轴旋转部件连接，内轴旋转部件和外轴旋转部件均与主运动轴部件啮合，同时内轴旋转部件、外轴旋转部件、主运动轴部件安装于支架上。
所述的上栅极摩擦电圆盘包括上栅极亚克力板基底和上栅格状铜箔电极层，上栅极亚克力板基底呈圆盘状，在上栅极亚克力板基底的表面上沿圆周间隔均匀地粘贴多条上栅格状铜箔电极层，每条上栅格状铜箔电极层径向布置；
下栅极摩擦电圆盘包括氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层、下栅格状铜箔电极层和下栅极亚克力板基底，下栅极亚克力板基底呈圆盘状，在下栅极亚克力板基底的表面沿圆周间隔均匀地粘贴多条下栅格状铜箔电极层，每条下栅格状铜箔电极层上均粘贴一条氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层；每条下栅格状铜箔电极层和每条氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层均径向布置；
上栅极亚克力板基底粘贴有上栅格状铜箔电极层的一侧与下栅极亚克力板基底粘贴有氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层的一侧靠近上下正对布置。
即上栅极摩擦电圆盘和下栅极摩擦电圆盘从上到下依次布置，上栅极摩擦电圆盘从上到下依次为上栅极亚克力板基底和上栅格状铜箔电极层，下栅极摩擦电圆盘从上到下依次为氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层、下栅格状铜箔电极层和下栅极亚克力板基底。
当施加外部旋转刺激时，使得所述的上栅极摩擦电圆盘上的上栅格状铜箔电极层和下栅极摩擦电圆盘上的氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层之间的相对接触面积发生变化，并能通过上栅格状铜箔电极层和下栅格状铜箔电极层向外电路输出交流脉冲电信号。
所述的上栅格状铜箔电极层和氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)薄膜层具有不同的摩擦电极性。
所述的上栅格状铜箔电极层的条数与下栅格状铜箔电极层以及氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层的条数相等。形状、尺寸大小也一致。
所述的氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层的厚度为800微米。
所述的支架为U型支架，包括U型架基部、上U型架壁和下U型架壁，上U型架壁的一端和下U型架壁的一端分别固定安装在U型架基部的顶端和低端，下U型架壁的另一端通过螺栓固定连接内轴旋转部件的内轴轴承座，上U型架壁的另一端通过螺栓固定连接外轴旋转部件的外轴轴承座；
所述的外轴旋转部件包括外轴锥齿轮、外轴轴承座和外旋转轴，外旋转轴通过深沟球轴承活动套装于内轴旋转部件的内旋转轴外，下栅极摩擦电圆盘固定安装在外旋转轴的顶端，外轴锥齿轮通过金属平键同轴套接于外旋转轴外，外轴轴承座通过外轴深沟球轴承活动套装在下栅极摩擦电圆盘与外轴锥齿轮之间的外旋转轴上；
所述的内轴旋转部件包括内轴轴承座、内轴锥齿轮和内旋转轴，内旋转轴的顶端穿过外轴旋转部件的外旋转轴后通过螺钉固定安装上栅极摩擦电圆盘，内旋转轴的底端通过角接触球轴承铰接安装在内轴轴承座中，内轴锥齿轮通过平键同轴套装在内旋转轴上；
所述的主运动轴部件包括主动锥齿轮和主旋转轴，主旋转轴的一端通过主轴角接触球轴承活动安装于U型架基部中部的水平通孔中，并穿出水平通孔与外部的旋转装置连接，外部的旋转装置用来提供外部旋转刺激，主旋转轴的另一端通过螺栓同轴固定安装主动锥齿轮；
内轴锥齿轮和外轴锥齿轮分别与主动锥齿轮上侧和下侧啮合，形成啮合传动，外部旋转装置带动主动锥齿轮转动，主动锥齿轮的转动通过啮合传动带动内轴锥齿轮与外轴锥齿轮朝相反的方向旋转。
所述的外轴锥齿轮和内轴锥齿轮的形状和尺寸均相同，在内旋转轴上对称布置。
外旋转轴通过两只深沟球轴承套装于内旋转轴的上，两只深沟球轴承之间的内旋转轴上套装内轴轴套，用于支撑两只深沟球轴承，外轴锥齿轮和外轴轴承座之间的外旋转轴上套装有轴套，外轴轴承座的底端固定安装有外轴深沟球轴承。
上栅极摩擦电圆盘和下栅极摩擦电圆盘分别接到静电计的输入端上，当外部旋转装置带动主运动轴部件旋转，通过啮合传动，主运动轴部件带动内轴旋转部件和外轴旋转部件以相反的方向进行旋转，内轴旋转部件带动与其连接的上栅极摩擦电圆盘以同方向进行旋转，外轴旋转部件带动与其连接的下栅极摩擦电圆盘以同方向进行旋转，使得上栅极摩擦电圆盘和下栅极摩擦电圆盘之间相对转动，进而使得粘贴在上栅极摩擦电圆盘上的上栅格状铜箔电极层和粘贴在下栅极摩擦电圆盘上的氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层之间发生相对转动，两种材料的摩擦电负极性不同，转动过程中上栅格状铜箔电极层和氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层之间的相对正对面积发生变化，打破两个材料之间的静电平衡，从而产生摩擦电势，通过静电计获得相应的短路电荷和短路电流等电信号，进一步的通过试验分析可得，所获得的短路电荷的频率和转速具有线性相关性；所获得短路电流信号的幅值和频率与转速具有线性相关性。
基于以上结构所得到的基于摩擦纳米发电机的自供能旋转传感器，当主动锥齿轮接受外部的旋转装置的旋转激励并传动到内外轴锥齿轮，由于内轴和外轴的锥齿轮规格相同，且是对称布置的，当在外部旋转激励作用下，主动锥齿轮驱动内、外轴锥齿轮，使内轴和外轴锥齿轮以等大反向的角速度进行旋转运动。进而带动上、下栅极摩擦电圆盘也以等大反向的角速度进行旋转运动。
基于摩擦纳米发电机的水平滑动模式原理，当两个不同摩擦电负极性材料之间相互接触，如果在水平方向上接触面积发生变化，将会打破两个材料之间的静电平衡，从而会在外电路中产生摩擦电势。由于上、下栅极摩擦电圆盘在转动时发生相对位移，并且上、下栅极摩擦电圆盘上覆盖了两种不同摩擦电负极性材料(铜箔和FEP)。由于两种材料(铜箔和FEP)以栅极的形式布置在圆盘上，在旋转过程中不断的发生接触面积分离与重合，进而将会在外电路中产生周期性的摩擦电信号。
具体的，由于同轴式锥齿轮差速结构的设计，上、下两摩擦电圆盘的相对速度是输入速度的两倍，其产生的短路电荷计算公式如下：
α＝2wrt
Figure BDA0003124021990000041
式中，α表示旋转角度，rad；QSC表示短路电荷，μC；N表示栅极数量；σ表示电介质摩擦电荷密度，μC·m-2；r1表示圆盘内径，m；r2表示圆盘外径，m；t表示旋转时间，s；wr表示输入旋转角速度，rmp；k表示处于接触分离状态的铜箔电极栅格数。
通过计算机模拟分析及实验验证可得，在不同的转速条件下，其输出电荷的幅值不受转速的影响，但其频率与圆盘的转速呈正相关关系，具体可以表示为：
Figure BDA0003124021990000042
式中，fSCQ表示短路电荷频率，Hz；TSCQ表示短路电荷周期，s；可见其短路电荷的频率和转速呈正相关关系。
进一步的，短路电荷QSC对时间求导可得其短路电流ISC，其表达式为：
Figure BDA0003124021990000043
式中，ISC表示短路电流，A；ωr表示旋转角频率，rad/s；
根据上式可知，短路电流ISC主要受栅极数量与转速影响，传感器的栅极数量确定，故短路电流ISC大小由转速确定，随着转速的增加而增加，为线性关系，其灵敏度SC为Nσ(r2 2-r1 2)。
进一步的，短路电流的频率响应可以表示为：
Figure BDA0003124021990000051
式中，fSCI表示短路电荷频率，Hz；TsCI表示短路电荷周期，s；
可见其短路电流的频率和转速呈正相关关系。
基于以上理论分析及试验验证可得，外部旋转激励的角速度可以通过该传感器输出的短路电荷频率、短路电流信号幅值及频率来表征。
角位移是角速度对时间的积分，基于本发明所述的实验装置，通过后端处理电路的进一步优化，可以实现对旋转激励的角位移及角加速度的实时监测。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明通过引入摩擦发电机原理，实现了旋转传感器俘获环境中旋转激励的机械能，转换为电能，实现了自驱动性能；且该电信号也可作为传感信号进行输出；
(2)通过引入共轴对称锥齿轮结构，实现了摩擦电圆盘之间的相对速度放大，和单板旋转的传感器相比较，其输出的电信号频率和转速之间的灵敏度放大了两倍。
(3)本发明根据短路电荷的频率和短路电流的幅值及频率，可以判断当前的转速大小。
总述，本发明实现了自驱动性能；且该电信号也可作为传感信号进行输出；输出的电信号频率和转速之间的灵敏度有提高，短路电荷的频率和短路电流的幅值，可以判断当前的转速大小。
附图说明
图1为本发明自供能多传感旋转式传感器的结构示意图；
图2为本发明自供能多传感旋转式传感器的传感模块结构示意图；
图3为本发明自供能多传感旋转式传感器的剖面示意图；
图4为本发明自供能多传感旋转式传感器的发电原理示意图；
图5为本发明自供能多传感旋转式传感器的短路电荷信号图，其中，图(a)为计算机仿真所得的不同转速下短路电荷信号图；图(b)为实测不同转速下所得的短路电荷信号图；图(c)为所测的不同转速下短路电荷频率信号图。
图6为本发明自供能多传感旋转式传感器的短路电流信号图，其中，图(a)为计算机仿真所得的不同转速下短路电流信号图；图(b)为实测不同转速下所得的短路电流信号图；图(c)为实测不同转速下短路电流幅值信号图；图(d)为实测不同转速下短路电流频率信号图。
图中，1上栅极摩擦电圆盘、11上栅极亚克力板基底、12上栅格状铜箔电极层、2下栅极摩擦电圆盘、21氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层、22下栅格状铜箔电极层、23下栅极亚克力板基底、3内轴旋转部件、31内轴轴承座、32角接触球轴承、33金属平键、34内轴锥齿轮、35内旋转轴、4外轴旋转部件、41深沟球轴承、42金属平键、43外轴锥齿轮、44外轴轴套、45内轴轴套、46外轴深沟球轴承、47外轴轴承座、48外旋转轴、5主运动轴部件、51主动锥齿轮、52螺栓、53主轴角接触球轴承、54主旋转轴、6支架、61U型架基部、62上U型架壁、63下U型架壁、7螺钉。
具体实施方式
下为了更加清楚的说明本发明中的技术方案，下面将结合附图及实例，对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明包括自供能旋转传感模块和共轴锥齿轮驱动模块，自供能旋转传感模块和共轴锥齿轮驱动模块同轴连接，自供能旋转传感模块包括从上而下依次同轴布置的上栅极摩擦电圆盘1和下栅极摩擦电圆盘2，共轴锥齿轮驱动模块包括内轴旋转部件3、外轴旋转部件4、主运动轴部件5和支架6，上栅极摩擦电圆盘1与内轴旋转部件3连接，下栅极摩擦电圆盘2与外轴旋转部件4连接，内轴旋转部件3和外轴旋转部件4均与主运动轴部件5啮合，同时内轴旋转部件3、外轴旋转部件4、主运动轴部件5安装于支架6上。
如图2所示，上栅极摩擦电圆盘1包括上栅极亚克力板基底11和上栅格状铜箔电极层12，上栅极亚克力板基底11呈圆盘状，在上栅极亚克力板基底11的表面上沿圆周间隔均匀地粘贴多条上栅格状铜箔电极层12，每条上栅格状铜箔电极层12径向布置；
下栅极摩擦电圆盘2包括氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层21、下栅格状铜箔电极层22和下栅极亚克力板基底23，下栅极亚克力板基底23呈圆盘状，在下栅极亚克力板基底23的表面沿圆周间隔均匀地粘贴多条下栅格状铜箔电极层22，每条下栅格状铜箔电极层22上均粘贴一条氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层21；每条下栅格状铜箔电极层22和每条氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层21均径向布置；
上栅极亚克力板基底11粘贴有上栅格状铜箔电极层12的一侧与下栅极亚克力板基底23粘贴有氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层21的一侧靠近上下正对布置。即上栅极摩擦电圆盘1和下栅极摩擦电圆盘2从上到下依次布置，上栅极摩擦电圆盘1从上到下依次为上栅极亚克力板基底11和上栅格状铜箔电极层12，下栅极摩擦电圆盘2从上到下依次为氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层21、下栅格状铜箔电极层22和下栅极亚克力板基底23。
当施加外部旋转刺激时，使得所述的上栅极摩擦电圆盘1上的上栅格状铜箔电极层12和下栅极摩擦电圆盘2上的氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层21之间的相对接触面积发生变化，并能通过上栅格状铜箔电极层12和下栅格状铜箔电极层22向外电路输出交流脉冲电信号。
具体实施中，上栅格状铜箔电极层12和氟化乙烯丙烯共聚物FEP薄膜层21具有不同的摩擦电极性。氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层21的厚度为800微米。
上栅格状铜箔电极层12的条数与下栅格状铜箔电极层22以及氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层21的条数相等。形状、尺寸大小也一致。
如图3所示，支架6为U型支架，包括U型架基部61、上U型架壁62和下U型架壁63，上U型架壁62的一端和下U型架壁63的一端分别固定安装在U型架基部的顶端和低端，下U型架壁63的另一端通过螺栓固定连接内轴旋转部件3的内轴轴承座31，上U型架壁62的另一端通过螺栓固定连接外轴旋转部件4的外轴轴承座47；
外轴旋转部件4包括外轴锥齿轮43、外轴轴承座47和外旋转轴48，外旋转轴48通过深沟球轴承41活动套装于内轴旋转部件3的内旋转轴35外，具体实施在上下端分别设置一个深沟球轴承41，上下端的深沟球轴承41之间通过内轴轴套45轴向定位，外轴轴承座47和外轴锥齿轮43之间的内轴轴套45外套装有外轴轴套44，下栅极摩擦电圆盘2固定安装在外旋转轴48的顶端，外轴锥齿轮43通过金属平键42同轴套接于外旋转轴48外，外轴轴承座47通过外轴深沟球轴承46活动套装在下栅极摩擦电圆盘2与外轴锥齿轮43之间的外旋转轴48上；
内轴旋转部件3包括内轴轴承座31、内轴锥齿轮34和内旋转轴35，内旋转轴35的顶端穿过外轴旋转部件4的外旋转轴48后通过螺钉7固定安装上栅极摩擦电圆盘1，内旋转轴35的底端通过角接触球轴承32铰接安装在内轴轴承座31中，内轴锥齿轮34通过平键33同轴套装在内旋转轴35上；具体实施中，内轴轴承座31的中心开有一圆孔，角接触球轴承32置于圆孔中，内旋转轴35的下端通过角接触球轴承32置于内轴轴承座31中，内轴轴承座31和内轴锥齿轮34之间的内旋转轴35上套装有轴套，轴套用于支撑内轴锥齿轮34。
主运动轴部件5包括主动锥齿轮51和主旋转轴54，主旋转轴54的一端通过主轴角接触球轴承53活动安装于U型架基部61中部的水平通孔中，并穿出水平通孔与外部的旋转装置连接，外部的旋转装置用来提供外部旋转刺激，主旋转轴54的另一端通过螺栓52同轴固定安装主动锥齿轮51；具体实施中，U型架基部61的中部开有水平通孔，主轴角接触球轴承53通过螺栓安装于水平通孔中。主动锥齿轮51和U型架基部61之间的主旋转轴54上套装有轴套。
内轴锥齿轮34和外轴锥齿轮43分别与主动锥齿轮51上侧和下侧啮合，形成啮合传动，外部旋转装置带动主动锥齿轮51转动，主动锥齿轮51的转动通过啮合传动带动内轴锥齿轮34与外轴锥齿轮43朝相反的方向旋转。
外轴锥齿轮43和内轴锥齿轮34的形状和尺寸均相同，在内旋转轴35上对称布置。
外旋转轴48通过两只深沟球轴承41套装于内旋转轴35上，两只深沟球轴承41之间的内旋转轴35上套装内轴轴套45，用于支撑两只深沟球轴承41，外轴锥齿轮43和外轴轴承座47之间的外旋转轴48上套装有外轴轴套44，外轴轴承座47的底端固定安装有外轴深沟球轴承46。
上栅极摩擦电圆盘1和下栅极摩擦电圆盘2分别接到静电计的输入端上，当外部旋转装置带动主运动轴部件5旋转，通过啮合传动，主运动轴部件5带动内轴旋转部件3和外轴旋转部件4以相反的方向进行旋转，内轴旋转部件3带动与其连接的上栅极摩擦电圆盘1以同方向进行旋转，外轴旋转部件4带动与其连接的下栅极摩擦电圆盘2以同方向进行旋转，使得上栅极摩擦电圆盘1和下栅极摩擦电圆盘2之间相对转动，进而使得粘贴在上栅极摩擦电圆盘1上的上栅格状铜箔电极层12和粘贴在下栅极摩擦电圆盘2上的氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层21之间发生相对转动，两种材料的摩擦电负极性不同，转动过程中上栅格状铜箔电极层12和氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层21之间的相对正对面积发生变化，打破两个材料之间的静电平衡，从而产生摩擦电势，通过静电计获得相应的短路电荷和短路电流等电信号，进一步的通过试验分析可得，所获得的短路电荷的频率和转速具有线性相关性；所获得短路电流信号的幅值和频率与转速具有线性相关性。
外旋转轴48通过两只深沟球轴承41套装于内旋转轴35上，两只深沟球轴承41之间的内旋转轴35上套装内轴轴套45，用于支撑两只深沟球轴承41，外轴锥齿轮43和外轴轴承座47之间的外旋转轴48上套装有外轴轴套44，外轴轴承座47的底端固定安装有外轴深沟球轴承46。
基于以上结构所得到的基于摩擦纳米发电机的自供能旋转传感器，当主动锥齿轮51接受外部的旋转装置的旋转激励并传动到内轴锥齿轮34和外轴锥齿轮43，由于内轴锥齿轮34和外轴锥齿轮43的规格相同，且是对称布置的，当在外部旋转激励作用下，主动锥齿轮51驱动内、外轴锥齿轮，使内轴锥齿轮34和外轴锥齿轮43以等大反向的角速度进行旋转运动。进而带动上栅极摩擦电圆盘1和下栅极摩擦电圆盘2也以等大反向的角速度进行旋转运动。
基于摩擦纳米发电机的水平滑动模式原理，当两个不同摩擦电负极性材料之间相互接触，如果在水平方向上接触面积发生变化，将会打破两个材料之间的静电平衡，从而会在外电路中产生摩擦电势。由于上、下栅极摩擦电圆盘在转动时发生相对位移，并且上、下栅极摩擦电圆盘上覆盖了两种不同摩擦电负极性材料(铜箔和FEP)。由于两种材料(铜箔和FEP)以栅极的形式布置在圆盘上，在旋转过程中不断的发生接触面积分离与重合，进而将会在外电路中产生周期性的摩擦电信号。
具体的，由于同轴式锥齿轮差速结构的设计，上、下两摩擦电圆盘的相对速度是输入速度的两倍，其产生的短路电荷计算公式如下：
α＝2wrt
Figure BDA0003124021990000091
式中，α表示旋转角度，rad；QsC表示短路电荷，μC；N表示栅极数量；σ表示电介质摩擦电荷密度，μC·m-2；r1表示圆盘内径，m；r2表示圆盘外径，m；t表示旋转时间，s；wr表示输入旋转角速度，rmp；k表示处于接触分离状态的铜箔电极栅格数。
通过计算机模拟分析及实验验证可得，在不同的转速条件下，其输出电荷的幅值不受转速的影响，但其频率与圆盘的转速呈正相关关系，具体可以表示为：
Figure BDA0003124021990000092
式中，fSCQ表示短路电荷频率，Hz；TSCQ表示短路电荷周期，s；可见其短路电荷的频率和转速呈正相关关系。
进一步的，短路电荷QSC对时间求导可得其短路电流ISC，其表达式为：
Figure BDA0003124021990000101
式中，ISC表示短路电流，A；ωr表示旋转角频率，rad/s；
根据上式可知，短路电流ISC主要受栅极数量与转速影响，传感器的栅极数量确定，故短路电流ISC大小由转速确定，随着转速的增加而增加，为线性关系，其灵敏度SC为Nσ(r2 2-r1 2)。
进一步的，短路电流的频率响应可以表示为：
Figure BDA0003124021990000102
式中，fSCI表示短路电荷频率，Hz；TsCI表示短路电荷周期，s；
可见其短路电流的频率和转速呈正相关关系。
基于以上理论分析及试验验证可得，外部刺激的转动角速度可以通过该传感器的短路电荷频率、短路电流信号幅值来表征。
角位移是角速度对时间的积分，基于本发明所述的实验装置，通过后端处理电路的进一步优化，可以实现对旋转激励的角位移及角加速度的实时监测。
如图4所示，基于以上所设计的同轴式滑动摩擦自供能旋转传感器，由于氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)薄膜和铜箔(Cu)在摩擦电极序列中存在差异，当外部刺激驱动上、下栅极摩擦电圆盘发生相对滑动时，使得氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)薄膜和铜箔(Cu)之间发生相对面积变化，打破两者之间的静电平衡，电子将从一个电极转移到另一个电极，从而在外电路中产生从Cu层流向FEP层方向的电流，如步骤“Ⅰ”；直到两层完全接触，如步骤“Ⅱ”所示，上层的正电荷和底层的负电荷才回到静电平衡状态；接着上、下层圆盘继续运转到状态“Ⅲ”，上下层之间发生相对滑动并且分离，产生反向电流，电子转移使得在外电路中产生从FEP层流向Cu层方向的电流；由于栅极电极的设计，分离后的电极将和后续的栅极继续接触分离，不断产生电信号，如步骤“Ⅳ”所示。经过以上步骤，此基于摩擦纳米发电机的自供能多传感旋转传感器可以向外电路输出交流脉冲电信号。
如图5所示，一种基于摩擦纳米发电机的自供能旋转传感器，当在外部旋转刺激下，通过锥齿轮共轴驱动***将外部旋转运动转换为上、下栅极摩擦电圆盘的相对旋转滑动，由于上、下摩擦电圆盘栅极接触面积的变化，可以从外电路中检测到交流短路电荷信号。由于所得的短路电荷信号的幅值不随转速而变化，但其短路电荷信号的频率随速度的增加而增大，因此可用短路电荷信号的频率表征转速的大小。如图5(a)为通过计算机仿真所得的不同转速下短路电荷信号图；图(b)为自供能多传感旋转传感器在不同转速条件下实测所得的短路电荷信号图；图(c)为所测的不同转速下短路电荷频率信号图，可以发现试验所得数据点和理论拟合直线能较好的吻合，因此可以通过短路电荷频率表征转速的大小。
图6所示为一种基于摩擦纳米发电机的自供能旋转传感器所测的短路电流信号图。其中，图(a)和图(b)分别为计算仿真和实际测量所得的不同转速下短路电流信号图；通过试验及理论分析发现，基于此自供能多传感旋转传感器所测的短路电流信号，其幅值和频率都与转速呈正相关性。具体的，如图(c)所示为实测不同转速下短路电流幅值信号图；图(d)为实测不同转速下短路电流频率信号图，图中各实测数据点和理论拟合直线能较好的吻合，因此可以通过短路电荷频率及幅值表征转速的大小。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于摩擦纳米发电机的自供能旋转传感器，其特征在于：
包括自供能旋转传感模块和共轴锥齿轮驱动模块，自供能旋转传感模块和共轴锥齿轮驱动模块连接，自供能旋转传感模块包括从上而下依次同轴布置的上栅极摩擦电圆盘(1)和下栅极摩擦电圆盘(2)，共轴锥齿轮驱动模块包括内轴旋转部件(3)、外轴旋转部件(4)、主运动轴部件(5)和支架(6)，上栅极摩擦电圆盘(1)与内轴旋转部件(3)连接，下栅极摩擦电圆盘(2)与外轴旋转部件(4)连接，内轴旋转部件(3)和外轴旋转部件(4)均与主运动轴部件(5)啮合，同时内轴旋转部件(3)、外轴旋转部件(4)、主运动轴部件(5)安装于支架(6)上。
2.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的自供能旋转传感器，其特征在于：所述的上栅极摩擦电圆盘(1)包括上栅极亚克力板基底(11)和上栅格状铜箔电极层(12)，上栅极亚克力板基底(11)呈圆盘状，在上栅极亚克力板基底(11)的表面上沿圆周间隔均匀地粘贴多条上栅格状铜箔电极层(12)，每条上栅格状铜箔电极层(12)径向布置；
下栅极摩擦电圆盘(2)包括氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层(21)、下栅格状铜箔电极层(22)和下栅极亚克力板基底(23)，下栅极亚克力板基底(23)呈圆盘状，在下栅极亚克力板基底(23)的表面沿圆周间隔均匀地粘贴多条下栅格状铜箔电极层(22)，每条下栅格状铜箔电极层(22)上均粘贴一条氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层(21)；每条下栅格状铜箔电极层(22)和每条氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层(21)均径向布置；
上栅极亚克力板基底(11)粘贴有上栅格状铜箔电极层(12)的一侧与下栅极亚克力板基底(23)粘贴有氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层(21)的一侧靠近上下正对布置。
3.根据权利要求2所述的基于摩擦纳米发电机的自供能旋转传感器，其特征在于：所述的上栅格状铜箔电极层(12)和氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层(21)具有不同的摩擦电极性。
4.根据权利要求2所述的基于摩擦纳米发电机的自供能旋转传感器，其特征在于：所述的上栅格状铜箔电极层(12)的条数与下栅格状铜箔电极层(22)以及氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层(21)的条数相等。
5.根据权利要求2所述的基于摩擦纳米发电机的自供能旋转传感器，其特征在于：所述的氟化乙烯丙烯共聚物薄膜层(21)的厚度为800微米。
6.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的自供能旋转传感器，其特征在于：
所述的支架(6)为U型支架，包括U型架基部(61)、上U型架壁(62)和下U型架壁(63)，上U型架壁(62)的一端和下U型架壁(63)的一端分别固定安装在U型架基部的顶端和低端，下U型架壁(63)的另一端固定连接内轴旋转部件(3)，上U型架壁(62)的另一端固定连接外轴旋转部件(4)；
所述的外轴旋转部件(4)包括外轴锥齿轮(43)、外轴轴承座(47)和外旋转轴(48)，外旋转轴(48)通过深沟球轴承(41)活动套装于内轴旋转部件(3)外，下栅极摩擦电圆盘(2)固定安装在外旋转轴(48)的顶端，外轴锥齿轮(43)同轴套接于外旋转轴(48)外，外轴轴承座(47)活动套装在下栅极摩擦电圆盘(2)与外轴锥齿轮(43)之间的外旋转轴(48)上；
所述的内轴旋转部件(3)包括内轴轴承座(31)、内轴锥齿轮(34)和内旋转轴(35)，内旋转轴(35)的顶端穿过外轴旋转部件(4)的外旋转轴(48)后固定安装上栅极摩擦电圆盘(1)，内旋转轴(35)的底端铰接安装在内轴轴承座(31)中，内轴锥齿轮(34)同轴套装在内旋转轴(35)上；
所述的主运动轴部件(5)包括主动锥齿轮(51)和主旋转轴(54)，主旋转轴(54)的一端活动安装于U型架基部(61)中部的水平通孔中，并穿出水平通孔与外部的旋转装置连接，主旋转轴(54)的另一端同轴固定安装主动锥齿轮(51)；
内轴锥齿轮(34)和外轴锥齿轮(43)分别与主动锥齿轮(51)上侧和下侧啮合，形成啮合传动，外部旋转装置带动主动锥齿轮(51)转动，主动锥齿轮(51)的转动通过啮合传动带动内轴锥齿轮(34)与外轴锥齿轮(43)朝相反的方向旋转。
7.根据权利要求6所述的基于摩擦纳米发电机的自供能旋转传感器，其特征在于：所述的外轴锥齿轮(43)和内轴锥齿轮(34)的形状和尺寸均相同，在内旋转轴(35)上对称布置。
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