基于摩擦纳米发电机的幅度和频率双参数传感解耦系统

技术领域

本发明属于多参数测量技术领域，涉及基于摩擦纳米发电机的双参数传感，具体涉及基于摩擦纳米发电机的幅度和频率双参数传感解耦系统。

背景技术

摩擦纳米发电机作为一种新型的纳米能源，其输出电压或电流的幅值会受环境参数的影响而发生显著变化，例如温度、湿度、气压或压力等。摩擦纳米发电机可以将传感器周围的环境机械振动转换成电能，例如雨滴滴落、物体移动等，因此可以用于解决传感器网络中的供能问题。使用TENG自驱动传感器可以代替传统传感器，对电涡流、压力、湿度、温度、位移等物理量进行测量。TENG自驱动传感器的缺点在于能够传感的参数有限，无法应用于气体、磁场、微小应变压力等传感领域，适用范围无法与现有种类繁多的传感器相比，限制其适用的广泛性。

TEGN自驱动传感器的局限性使其无法完全代替传统传感器，但是现有的传感器网络中，先充电再通过无线芯片模块传输信号的方案，由于充电时间过长，将会限制其在生理监测、工厂环境监测、安保防盗、战场监控等对实时性要求较高场合的应用，因此探索新的TENG传感方法和新的无线实时传输方式，因此在传统技术的技术上，探索基于TENG的新型无线自驱动传感器，使可传感参数多样化、传输数据实时化，提高可移植性的无线传感方案，具有积极意义。

现有技术中的TENG大部分用于能量收集或者单参数传感，其中单参数传感是利用电阻型、电容型和电感型传感器三者之一的传感信息进行无线传输，单参数传感的信息只有压力、湿度、温度、位移、涡流等中的一个，这就会造成传感信息过于单一。而双参数传感可以利用电阻型、电容型和电感型三者中的两个的传感信息进行无线传输，可以提升TENG的应用范围。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了基于摩擦纳米发电机的幅度和频率双参数传感解耦系统，将摩擦纳米发电机作为供能源，选择电阻型传感器、电容型传感器、电感型传感器三者中的两者结合，可以同时监测幅度和频率双参数，解决了多参数传感解耦的问题。

基于摩擦纳米发电机的幅度和频率双参数传感解耦系统，包括摩擦纳米发电机、电阻型传感器和电感型传感器。其中，电阻型传感器用于感受力的大小变化，电感型传感器用于感受物体位置的变化。电阻型传感器与电感型传感器并联，构成谐振探测电路；摩擦纳米发电机与谐振探测电路串联，为系统供电。

作为优选，所述电阻型传感器为薄膜压力传感器，电感型传感器为基于电感线圈的电涡流传感器。

作为优选，所述电阻型传感器的阻值变化范围为1KΩ到1MΩ，电感型传感器的电感值变化范围为50uH到2mH。

作为优选，在摩擦纳米发电机与谐振探测电路设置有电子开关。

传感解耦方法的步骤为：

步骤1、部署摩擦纳米发电机和电感型传感器，固定金属物体的重量，改变金属物体的位置，记录电感型传感器的输出频率及功率，得到距离-频率关系表和距离-频率功率关系表；再部署完整的双参数传感解耦系统，依次改变金属物体的位置和重量，记录系统的输出幅度，得到距离-重量-幅度关系表。

步骤2、在所述双参数传感解耦系统附近放置一个重量及位置已知的标定物，将此时系统输出信号的幅度和频率分别作为基准幅度A

步骤3、使用该双参数传感解耦系统进行距离和力的检测，将系统输出信号作为测量幅度A

步骤4、对系统输出数据的解耦过程包括距离的解耦和力的解耦。具体包括以下过程：

s4.1、使用基准频率F

s4.2、根据步骤s4.1解耦得到的测量距离值X与步骤3中的测量幅度A

本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过谐振信号的频率分量和幅值分量进行双参数传感，提高基于摩擦纳米发电机的传感和发射系统的广适用性和高实时性，可以应用于生理监测、工程环境监测、安保防盗、战场监控等对实时性和适用性要求较高的场合。

2、结合摩擦纳米发电机，可以在没有外部有源管理电路和电池的情况下，收集周边环境的机械能并转化为电能，为谐振探测传感电路提供能量，解决传感器的长期供电问题，降低工厂监测成本，具有潜在的经济、社会效益。

附图说明

图1为双参数传感系统示意图；

图2是双参数传感解耦方法流程图；

图3(a)和图3(b)分别为实施例中得到的距离-频率关系表和距离-频率功率关系表。

图4为实施例中得到的距离-重量-幅度关系表。

图5为实施例中得到的距离-重量-频率关系表。

图6为实施例1中双参数传感系统部属示意图；

图7(a)是实施例中得到的测量频率时域图，图7(b)是经过傅里叶快速变化后测量频率的频谱图。

图8为实施例2中双参数传感系统部属示意图；

图9为实施例3中双参数传感系统部属示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的解释说明；

如图1所示，基于摩擦纳米发电机的幅度和频率双参数传感解耦系统，包括自供能模块和谐振探测电路。其中自供能模块为摩擦纳米发电机，谐振探测电路包括并联的电感线圈L1和薄膜压力传感器R。摩擦纳米发电机与谐振探测电路串联，并且电感线圈L1、薄膜压力传感器R与摩擦纳米发电机的等效电容构成了谐振电路。系统的输出信号为谐振电路的谐振频率和幅值。

本申请通过电阻型传感器和电感型传感器来实现双参数传感。其中电感型传感器利用电感线圈L1的电涡流原理，当金属物体经过电感线圈L1时会改变电感线圈电感L，从而使谐振探测传感电路的谐振频率发生改变，谐振探测传感电路的谐振频率会随时间变化出现一个谐振频率的尖峰值，并且与电感线圈L1距离不同的金属物体会使谐振探测传感电路的谐振频率尖峰值不同。电阻型传感器主要是利用薄膜压力传感器R，使得谐振信号的幅度随物体重量变化而发生改变。测量数据的解耦过程如图2所示。

断开与电感线圈L1并联的薄膜压力传感器R，设置金属物体与电感线圈L1之间的距离在0～10mm变化，测量不同距离下的谐振频率，如图3(a)所示，谐振频率对应的功率值如图3(b)所示。

部属完整的双参数传感解耦系统，测量薄膜压力传感器R的输出信号幅值随物体重量变化结果，如图4所示，由图可知，当金属物体的重量越小时，薄膜压力传感器R的电阻越大，衰减信号的谐振幅度越大，同时改变金属物体与电感线圈L1之间的距离，可以发现谐振频率与金属物体的重量几乎无关，如图5所示。

实施例1

本实施例使用所述双参数传感解耦系统，对传送带上的金属物体进行高度与重量的测量。如图6所示，其中1为传送带、2为电感线圈L1、3为薄膜压力传感器R。将电感型传感器固定在传送带上方，电阻型传感器固定在传送带表面，摩擦纳米发电机固定在传送带转轴上。启动传送带后，摩擦纳米发电机将外部机械能转化为电能，先给电子开关供电，电子开关导通后为谐振探测传感电路供电，谐振电路产生谐振。

将待测物品放在传送带上没有部属薄膜压力传感器R的位置，此时薄膜压力传感器的电阻不会改变，衰减谐振信号的幅度不会改变。当不同金属物体经过电感线圈L1时，谐振探测传感电路输出的衰减谐振信号时域图如7(a)所示，其中横坐标为时间，单位为us；纵坐标为电压幅值，单位为V。相邻两个波峰之间的间隔时间为衰减谐振信号的周期，其倒数即为谐振频率。进行傅里叶变换后，得到传感信号频谱图如图7(b)所示，其中横坐标为频率，单位为MHz；纵坐标为功率，单位dBm。通过查找频谱图7(b)上的纵坐标最高点对应的横坐标，可以得到最大功率值26.94826dBm对应的谐振频率为463.9KHz。

根据图4解耦出待测物品的重量和高度分别为205.400482g和3.498199822mm。使用更高的精度的测量方法得到待测物品实际重量和高度分别为200g和3mm，将解耦的数据与实际值对比，物体重量测量误差大概在2％左右，物体位置测量误差大概在1.9％左右。

实施例2

本实施例使用所述双参数传感解耦系统，对铝板上的漆膜厚度以及接触力进行检测。

如图8所示，其中4为Z轴工作平台，5为喷涂了漆面的铝板。将薄膜压力传感器R固定在铝板表面，电感线圈L1固定在铝板上方。通过摩擦纳米发电机收集外部能量为传感器供电。当电感线圈L1远离或靠近铝板漆膜时，谐振探测传感电路的谐振频率就会发生改变，并出现一个尖峰值，且当铝板漆膜厚度不一样时出现的尖峰值会不同；通过铝板上的薄膜压力传感器随接触力变化改变谐振信号幅度。对系统输出进行解耦后得到漆膜厚度和接触力大小。

实施例3

本实施例使用所述双参数传感解耦系统，对自行车胎压和转动速度进行检测。

如图9所示，将薄膜压力传感器R设置在自行车车胎中，进行胎压监测。将电感线圈固定在车轴的两端。当自行车的车速发生改变时，胎压也会发生改变，此时谐振探测传感电路中感应到的谐振信号的频率和幅度都会随着车速和胎压而改变，之后根据测到的数据进行双参数解耦得到自行车胎压和车速大小。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出的是，在不脱离本申请原理的前提下以及未付出创造性劳动的情况下，任何对本发明进行的若干修改和改进，都属于本申请权利要求的保护范围。