基于行星齿轮结构摩擦纳米发电机的自驱动加速度计

1.本发明涉及一种加速度计，具体涉及基于行星齿轮结构摩擦纳米发电机的自驱动加速度计。


背景技术：

2.在汽车领域中，加速度传感器有着广泛的应用前景，例如安全气囊、自动驾驶、防滑系统等都需要汽车行驶过程中的加速度信号作为数据支持。然而目前常见的压电式、压阻式和电容式加速度传感器等都需要外部提供能源，传统的电池供电不仅废旧电池对环境造成污染，而且需定期更换电池，限制了传感器的寿命。
3.摩擦纳米发电机以麦克斯韦位移电流为理论基础，基于静电感应和摩擦起电的耦合作用，具备能量收集与信号传感两大功能。由于摩擦纳米发电机的输出电信号对环境的变化有着敏锐的感知，因此该技术在自驱动传感领域有着显著的优势，目前该技术已广泛应用于加速度、压强、温度等的自驱动传感应用中。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了解决现有加速度计的供电问题，利用摩擦纳米发电机技术作为敏感单元，发明基于行星齿轮结构摩擦纳米发电机的自驱动加速度计，在无需外界供电情况下，实现对汽车行驶加速度的精准感知。
5.本发明的目的通过以下技术方案实现：
6.基于行星齿轮结构摩擦纳米发电机的自驱动加速度计，其特征在于，包括行星齿轮结构a1和锯齿状摩擦纳米发电机a2，所述行星齿轮结构输入端与汽车轮胎轴心处相连。
7.进一步地，当轮胎转动时，带动行星齿轮结构的滑块在外壳支架上做往复直线运动，锯齿状摩擦纳米发电机的上摩擦层与下金属电极层因摩擦起电带等量相反电荷，上金属电极因静电感应产生感应电荷，上下金属电极间产生电势差，且电势差的频率与轮胎转速有关。
8.进一步地，所述锯齿状摩擦纳米发电机的金属电极层采用铜箔，摩擦层采用ptfe，金属电极层和摩擦层均采用激光切割机切割为锯齿状。
9.进一步地，所述镂空式底座、曲柄、作为齿圈的外壳基体、毂状齿轮采用pom材料。
10.进一步地，所述连杆、滑块、外壳支架采用亚克力材料。
11.进一步地，所述塞打螺钉、长螺母、带螺栓轴承为标准件。
12.所述汽车行驶加速度感知算法如下：
13.进一步地，所述滑块在所述外壳支架上做往复直线运动时，所述锯齿状摩擦纳米发电机输出峰值电压时刻t1，输出相邻谷值电压时刻t2，t1～t2时间段滑块位移恒定，为锯齿状电极单个单元的长度x，则滑块滑动速度v为：
14.v＝x/(t
2-t1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
15.进一步地，对于所述行星齿轮结构，滑块滑动速度v与轮胎旋转速度w的函数关系
为：
[0016][0017]
进一步地，对所述轮胎旋转速度w求导可得轮胎旋转角加速度α。
[0018]
进一步地，汽车行驶加速度a与轮胎旋转角加速度α的函数关系式为：
[0019]
a＝α
×
d/2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0020]
其中d为轮胎外径。
[0021]
进一步地，对所述锯齿状摩擦纳米发电机输出电压数据进行处理，精准拟合汽车行驶加速度。
[0022]
本发明针对现有技术中问题和需求，利用摩擦纳米发电机作为敏感单元，设计了能够精准测量汽车行驶加速度的自驱动传感器。与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0023]
1、本发明所设计自驱动加速度计以摩擦纳米发电机输出电压信号为数据基础精准拟合汽车行驶加速度，所设计锯齿状摩擦纳米发电机提高了输出电压信号频率，使感知汽车行驶加速度的精度大大提高。
[0024]
2、本发明所设计基于行星齿轮结构摩擦纳米发电机的自驱动加速度计无需外界提供供电，实现自驱动化。
附图说明
[0025]
图1为本发明的结构示意图；
[0026]
图2为图1爆炸图(包括：行星齿轮结构a1，锯齿状摩擦纳米发电机a2)；
[0027]
图3为曲柄a1-2的装配示意图；
[0028]
图4为本发明实施例中50rpm时摩擦纳米发电机输出开路电压示意图；
[0029]
图5为本发明实施例中本发明对汽车行驶速度的感知示意图；
[0030]
图6为本发明实施例中本发明对汽车行驶加速度的感知示意图；
[0031]
图中：行星齿轮结构a1，镂空式底座a1-1，曲柄a1-2，作为齿圈的外壳基体a1-3，轴承a1-4，毂状齿轮a1-5，连杆a1-6，带螺栓轴承a1-7，角码a1-8，长螺母a1-9，外壳支架a1-10，滑块a1-11，塞打螺钉a1-12，锯齿状摩擦纳米发电机a2；上金属电极层a2-1，上摩擦层a2-2，下金属电极层a2-3。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例是以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0033]
如图1所示，基于行星齿轮结构摩擦纳米发电机的自驱动加速度计，包含行星齿轮结构a1和锯齿状摩擦纳米发电机a2，其中，
[0034]
行星齿轮结构a1包含镂空式底座a1-1，曲柄a1-2，作为齿圈的外壳基体a1-3，轴承a1-4，毂状齿轮a1-5，连杆a1-6，带螺栓轴承a1-7，角码a1-8，长螺母a1-9，外壳支架a1-10，滑块a1-11，塞打螺钉a1-12；锯齿状摩擦纳米发电机包含上金属电极层a2-1，上摩擦层a2-2，下金属电极层a2-3，其中上金属电极层a2-1为30mm
×
30mm的锯齿状铜箔，上摩擦层a2-2
为30mm
×
120mm的锯齿状ptfe，下金属电极层a2-3为30mm
×
120mm的锯齿状铜箔。
[0035]
所述自驱动加速度计通过行星齿轮结构a1中的曲柄a1-2与轮胎轴心相连。
[0036]
如图2所示，本发明基于行星齿轮结构摩擦纳米发电机的自驱动加速度计的装配过程如下：
[0037]
进一步地，如图1、图2、图3所示，所述曲柄a1-2输入端借助光孔与轮胎轴心相连，所述曲柄a1-2输出端与轴承a1-4内圈配合，轴承a1-4外圈与毂状齿轮a1-5配合，螺栓通过所述曲柄a1-2输出端通孔与毂状齿轮a1-5内部螺纹孔相连。
[0038]
进一步地，所述毂状齿轮a1-5与所述作为齿圈的外壳基体a1-3的内部齿圈相啮合。
[0039]
进一步地，所述作为齿圈的外壳基体a1-3与镂空式底座a1-1借助螺栓相连，实现对曲柄a1-2自由度的限制以增强其运动稳定性。
[0040]
进一步地，所述作为齿圈的外壳基体a1-3与外壳支架a1-10借助角码a1-8相连。
[0041]
进一步地，所述连杆a1-6输入端借助带螺栓轴承a1-7与毂状齿轮a1-5相连，输出端借助带螺栓轴承a1-7与长螺母a1-9相连。
[0042]
进一步地，采用塞打螺钉a1-12穿过滑块a1-11中心位置通孔与长螺母a1-9相连，将滑块a1-11与外壳支架a1-10相固定。
[0043]
进一步地，所述上金属电极层a2-1与上摩擦层a2-2粘连后，将上金属电极层a2-1与滑块a1-11下方粘连。
[0044]
进一步地，所述下金属电极层a2-3与外壳支架a1-10上方粘连。
[0045]
进一步地，通过调节塞打螺钉a1-12旋入长螺母a1-9长度即可调节摩擦纳米发电机两摩擦层之间的正压力。
[0046]
作为实施例，举例而非限定，所述螺栓采用m4
×
20。
[0047]
图1中，当轮胎转动时，带动行星齿轮结构的滑块a1-11在外壳支架a1-10上做往复直线运动，锯齿状摩擦纳米发电机的上摩擦层a2-2与下金属电极层a2-1因摩擦起电带等量相反电荷，上金属电极a2-1因静电感应产生感应电荷，通过外部设备检测上、下金属电极层间电压的大小，并基于汽车行驶加速度感知算法，对所获得的电压数据进行处理，依靠输出电压峰值点和谷值点时刻实现对汽车行驶加速度的精准感知。
[0048]
如图4所示，在轮胎角速度50rpm时，摩擦纳米发电机电压峰值大小基本保持不变，精准捕捉所有峰值点与谷值点的时刻，代入式(1)求得滑块滑动速度v，将v带入式(2)求得轮胎转速w、将w求导带入式(3)，即可求得汽车行驶加速度。
[0049]
实施例一
[0050]
本实施例中，设定了一具体情况：0-6s时，汽车行驶速度为3.2m/s(11.4km/h)，6-10s时，汽车获得一恒定的加速度0.789m/s2，做匀加速运动。在该场景下，初步验证所发明基于行星齿轮结构摩擦纳米发电机的自驱动加速度计的可行性和准确性。
[0051]
如图5所示，虚线为所设定汽车速度变化情况，实线为本发明基于行星齿轮结构摩擦纳米发电机的加速度计的测量结果，测量结果与实际情况基本吻合，误差较小。如图6所示，虚线为所设定汽车加速度变化情况，实线为本发明基于行星齿轮摩擦纳米发电机的加速度计的测量结果。结果表明，本发明能够在较大范围内精准测量汽车行驶过程中的加速度。
[0052]
此外，需要说明的是：以上各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制，凡依据本发明构思的构造、特征及原理多做的等效变化或简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对各实施例的技术方案进行修改，或对其中部分或全部技术特征进行等同替换，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。