东北林大解志杰教授和中科院纳米能源所程廷海研究员：摩擦电式环形运动传感器

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东北林大解志杰教授和中科院纳米能源所程廷海研究员：摩擦电式环形运动传感器
2021-08-11 来源:中国聚合物网点击次
关键词：运动传感器

随着现代制造业的快速发展，计算机、通信、消费电子等领域对自动化生产线和装配线的环形运动平台的应用呈现出巨大的需求。为了保证产品质量，运动平台的机械运动需要运动传感器对运动参数的准确反馈。但对于环形运动传感器，现有技术还面临着不同的局限性，包括结构集成度低、成本和复杂度高、环境要求严格等。近日，东北林业大学解志杰教授和中科院北京纳米能源与系统研究所程廷海研究员在《Advanced Materials Technologies》期刊上发表了题为“Sliding triboelectric circular motion sensor with real-time hardware processing”的文章（DOI：10.1002/admt.202100655）。为了实现环形运动位置和速度的实时监测，该团队提出了一种摩擦电式环形运动传感器，可将其集成于传感应用的环形运动定位装置中。采用四相交错铜电极布置方式，利用PTFE固体栅格作为独立摩擦层，在提高传感器角位移分辨率的同时，提高摩擦层的耐久性；另外，提出了一种实时硬件信号处理方法，通过实时降噪和信号变换算法，将四路摩擦电信号转换为两路标准方波信号。同时，构建了一套环形运动测试系统，在降低信号处理复杂程度的同时，实现了信号的标准化处理，摆脱了专业仪器对摩擦电式传感器检测手段的限制。实验表明，该传感器的角度分辨率可达0.375?，角位移精度小于0.42?，重复定位精度达到0.3?，速度误差率小于0.37%，经过硬件信号处理后，该传感器表现出良好的环形运动感知特性。研究工作为开展环形运动平台的高精度运动状态监测提供了新方法，同时可积极推进摩擦电式机械运动传感器在环形运动检测方向的发展与机械装备的应用。

图1：摩擦电式环形运动传感器(S-TCMS)的结构设计。(a) S-TCMS的结构示意图；b)和c) 滑块和PTFE网格的结构示意图和照片；d)和e) 四路电极的结构示意图和照片；f) S-TCMS的装配照片。

图2：S-TCMS的工作原理。(a) 工作原理示意图；(b) 电极对相位排列的特性；(c) 电极对相位排列的电压信号波形；(d) 在三种不同状态下的模拟电位分布。

图3：S-TCMS 的性能特性。(a)和(b) 不同滑动速度下A相的开路电压和短路电流；(c)和(d) 不同外部电阻上的短路电流和输出最大功率。

图4：信号处理过程。(a) 原始输入信号电路；(b) 硬件信号处理方法；(c) 数据采集方法；(d) 对传感信号特征的提取。

图5：硬件信号处理的实验结果。(a) 原始输入信号；(b) 经过直流滤波和运算放大后的信号；(c) 滞回比较后的信号；(d) 过零比较后的信号，(e) 异或比较后的信号，(f) 硬件信号处理后的输出信号。

图6：带有S-TCMS的圆形运动平台。(a) 圆周运动平台的顶部结构；(b) 圆周运动平台的底部结构；(c) 测试系统的照片。

图7：S-TCMS 传感系统性能测试。(a) LabVIEW传感器测试系统；(b) S-TCMS与伺服电机速度的线性关系；(c) S-TCMS与伺服电机速度的偏差值和偏差率；(d)和(e) 伺服电机与S-TCMS的角位移偏差和线性关系；(f)和(g) S-TCMS在不同角度位置角位移的重复精度。