基于力反馈原理的摩擦纳米发电机接触面积实时检测装置
阅读说明：本技术 基于力反馈原理的摩擦纳米发电机接触面积实时检测装置 (Real-time detection device for contact area of friction nano generator based on force feedback principle ) 是由 程广贵 曹杰 丁建宁 吴晔盛 张忠强 于 2019-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及光机电装备领域,特指一种基于力反馈原理的可实时检测摩擦纳米发电机接触面积的装置。通过单片机控制所测聚合物薄膜与ITO薄膜的接触分离,利用压力传感器获得所测聚合物薄膜所受的变化载荷信号并传到单片机,为系统提供位置反馈信号；根据摩擦生电和静电感应原理,将摩擦纳米发电机产生的电压信号传到计算机；利用光学测量原理通过CCD图像传感器获得所测聚合物薄膜与ITO薄膜的接触区域图像,并利用计算软件算出二者真实的接触面积。该装置可以实时检测摩擦纳米发电机工作时的真实接触面积,实现了实时检测聚合物薄膜电压输出性能与其接触面积的关系,为摩擦纳米发电机性能研究领域提供了极大的便利。(The invention relates to the field of optical-electromechanical equipment, in particular to a device capable of detecting the contact area of a friction nano generator in real time based on a force feedback principle. The contact separation of the polymer film to be measured and the ITO film is controlled by the singlechip, and a pressure sensor is utilized to obtain a variable load signal borne by the polymer film to be measured and transmit the variable load signal to the singlechip so as to provide a position feedback signal for a system; according to the principle of friction electricity generation and electrostatic induction, voltage signals generated by the friction nano generator are transmitted to a computer; and acquiring an image of a contact area between the measured polymer film and the ITO film by using an optical measurement principle through a CCD (charge coupled device) image sensor, and calculating the real contact area of the polymer film and the ITO film by using calculation software. The device can detect the real contact area of the friction nano generator during working in real time, realizes the relation between the voltage output performance of the polymer film and the contact area of the polymer film in real time, and provides great convenience for the research field of the performance of the friction nano generator.)
技术领域
本发明涉及光机电装备领域，特指一种基于力反馈原理的可实时检测摩擦纳米发电机接触面积的装置。
背景技术
能源问题是影响人类进步和可持续发展的重大问题之一,各种围绕新能源开发、可再生能源重复利用的研究正在世界各地如火如荼的进行；自2006年王中林院士团队首次提出纳米发电机并用来收集机械能以来,以压电和摩擦电效应为基础的机械能收集技术受到科学界的广泛关注,尤其是2012年提出的摩擦纳米发电机,更是激发了全球多个团队的研究热情,诸多的课题组对组成摩擦纳米发电机的材料及其相对性能进行了研究，发现组成摩擦纳米发电机的聚合物薄膜的接触面积在很大程度上决定了摩擦纳米发电机的输出性能；然而目前定量地研究接触面积与输出性能之间的关系主要依靠软件模拟，鲜见报道实验研究，未见相关测试表征设备，无法实时检测出聚合物薄膜电压输出性能与其接触面积的关系。
发明内容
本发明所提出一种能够原位检测摩擦纳米发电机接触面积的装置，利用光的反射原理，与单片机控制技术、光学测量技术结合，能够精确地检测出聚合物织构表面在工作时的真实接触面积，为进一步研究摩擦纳米发电机真实接触面积与电输出特性等关系提供了条件，在摩擦纳米发电机输出性能研究领域应用广泛，具有极大的使用价值。
本发明是一种基于力反馈原理的摩擦纳米发电机接触面积实时检测装置，下面以探究摩擦纳米发电机真实接触面积与其电输出性能关系为例说明其原理：利用单片机控制技术，通过单片机精确控制步进电机的转动圈数，实现托盘平台的精确移动即上升下降的距离；当位于托盘平台上的聚合物薄膜与固定在装置上方的ITO导电玻璃/薄膜刚好接触时，聚合物薄膜所受载荷以及聚合物薄膜与ITO 薄膜的接触面积均为零；托盘平台继续上升，聚合物薄膜所受载荷以及聚合物薄膜与ITO薄膜的接触面积也不断变大；聚合物薄膜所受载荷变化信号由托盘平台与聚合物薄膜之间的压力传感器获得，压力传感器与单片机相连，将测得的载荷信息作为托盘平台位置的反馈信号；聚合物薄膜与ITO薄膜的接触区域图像变化信号由自带光源的CCD图像传感器实时获得，CCD图像传感器与外部计算机联接，由计算机上的计算软件算出聚合物薄膜与ITO薄膜的真实接触面积，并与压力传感器检测到的压力建立对应关系；借此实现托盘平台的往复移动使聚合物薄膜与ITO薄膜不断的接触分离。根据摩擦起电和静电感应原理，将ITO 薄膜和聚合物薄膜的金属衬底接入电路制作成摩擦纳米发电机，通过电信号检测装置可以得到摩擦纳米发电机电压输出信号，电信号检测装置与外部计算机连接，将聚合物薄膜的电压输出信号发送到计算机；最终得到摩擦纳米发电机输出特性与接触面积的关系。
本发明提供的是一种基于力反馈原理的摩擦纳米发电机接触面积实时检测装置，其特征包括单片机、CCD图像传感器、紧固件、传动装置、电信号检测装置、壳体、压力传感器、ITO导电玻璃/薄膜、金属薄膜、聚合物薄膜。其中壳体主体为具有四个面(上下左右)的空心长方体结构，底面为平板结构，便于装置整体水平放置，底座固定在壳体的底面上，单片机设置于壳体上表面，且单片机与外部计算机连接；CCD图像传感器与壳体固定连接，固定于壳体的正上方，并与计算机连接；紧固件设置于壳体上表面，位于CCD图像传感器的下方； ITO导电玻璃/薄膜(ITO导电玻璃/薄膜的结构是玻璃在上，薄膜在下)被紧固件固定在壳体上；传动装置设置于壳体内部，且与单片机连接；压力传感器设置于传动装置上，且与外部计算机连接；聚合物薄膜设置于压力传感器上，与压力传感器紧密结合；金属薄膜作为聚合物薄膜的衬底；电信号检测装置设置于壳体内部，通过电线将ITO薄膜与金属薄膜相连。具体见附图图1。
所述CCD图像传感器采用带光源的CCD图像传感器，且装置上设置两个旋钮，左侧旋钮1用于整体调节CCD图像传感器的位置，右侧旋钮2用于调节CCD 图像传感器的焦距，使其焦平面与待测面重合，达到获取清晰图像的效果；该 CCD图像传感器与外部计算机相连，将获取的接触区域图像信号实时传到计算机；
所述紧固件设置于壳体上，与壳体上表面的卡盘结构配合，用于将所述ITO 导电玻璃/薄膜固定在壳体表面。
所述传动装置包括步进电机、联轴器、导向杆、丝杠、托盘平台和支架，其中步进电机与支架固定联接，联轴器联接步进电机和丝杠，丝杠和导向杆与托盘平台联接，通过步进电机的转动控制托盘平台上下移动，导向杆、丝杠和支架固定在壳体内部下表面的底座上；具体见附图图3；所述传动装置中的步进电机与单片机连接，由单片机精确控制步进电机转动圈数，进而精确控制托盘平台的移动距离。
所述压力传感器设置于所述托盘平台上，将待测试的金属薄膜作为衬底的聚合物薄膜放置于所述压力传感器上，通过步进电机带动丝杠使得托盘平台往复移动(上下移动)，当所述聚合物薄膜与所述ITO薄膜接触之前及刚好接触时，压力传感器感受到的载荷均为零；随着托盘平台继续上升，聚合物薄膜与ITO薄膜的真实接触面积不断增大，压力传感器感受到的载荷也不断增加，压力传感器与单片机相连，将测得的压力信号作为托盘平台的位置反馈信号；
所述电信号检测装置包括一个静电计和导线，其中静电计的两端分别连接 ITO薄膜和金属薄膜；由于步进电机带动丝杠使得托盘平台往复上下移动，聚合物薄膜与ITO薄膜不断的接触分离，形成垂直接触分离模式的摩擦纳米发电机，静电计用于检测摩擦纳米发电机产生的电信号；
优选的，所述聚合物薄膜选择位于电负性序列表末端的材料制作，如PTFE、 PDMS材料等，聚合物薄膜的厚度为50μm～1㎜，且其表面具有微柱等织构；
优选的，所述金属薄膜采用导电性能良好的材料制作，如Cu膜，Ni膜等，金属薄膜的厚度为50μm～1㎜；
优选的，ITO薄膜厚度小于CCD图像传感器所携带光源波长的1/4，以起到增透效果；
优选的，所述托盘平台上配有规则形状、不同规格的长方体垫块，提高实验精度，在这种情况下，原来放置在托盘平台上的压力传感器转移到所使用的垫块上表面；
优选的，壳体右侧支撑板和壳体上表面支撑板固定连接，并设置紧固件，用于固定ITO玻璃/薄膜；
优选的，所述紧固件末端带有橡胶垫，对ITO导电玻璃/薄膜起到保护作用，使实验结果更精确；
本发明提出的一种基于力反馈原理的摩擦纳米发电机接触面积实时检测装置，能够实时地检测出摩擦纳米发电机工作时的真实接触面积，解决了当下聚合物薄膜电压输出性能与其接触面积关系的研究过于复杂的问题，提高了实验效率与精确度，为摩擦纳米发电机性能研究提供了极大的便利。
附图说明
图1为本发明的一种能够原位检测摩擦纳米发电机接触面积的结构示意图；
图2为本发明的壳体上表面ITO玻璃/薄膜固定装置局部放大图；
图3为本发明的壳体内部下表面传动装置局部放大图。
图中：1、底座 2、壳体 3、支架 4、托盘平台 5、联轴器 6、步进电机 7、单片机 8、ITO薄膜 9、玻璃 10、紧固件 11、CCD图像传感器 12、旋钮1 13、旋钮2 14、聚合物薄膜 15、金属薄膜 16、压力传感器 17、垫块 18、导向杆 19、丝杠
具体实施方式
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如图1所示，一种基于力反馈原理的摩擦纳米发电机接触面积实时检测装置，包括底座1、壳体2、支架3、托盘平台4、联轴器5、步进电机6、单片机7、ITO 薄膜8、玻璃9(二者构成ITO导电玻璃/薄膜)、紧固件10、CCD图像传感器 11、旋钮1-12，旋钮2-13、聚合物薄膜14、金属薄膜15、压力传感器16、垫块17、导向杆18、丝杠19，首先由单片机7精确控制步进电机6转动，进而通过联轴器5带动丝杠19转动，带动托盘平台4沿着导向杆18上下往复移动，托盘平台4上的聚合物薄膜14与利用紧固件10固定在壳体2上表面的ITO薄膜8 接触，接触的紧密程度变化，二者的真实接触面积以及产生的相对载荷也随之变化，由压力传感器16实时获得变化的载荷信号并实时传到计算机；与此同时，自带光源的CCD图像传感器11利用光学测量原理实时获得聚合物薄膜14与ITO 薄膜8的接触区域图像并传动到计算机，利用计算软件通过获得的接触区域图像算出真实的接触面积，由此可以得到聚合物薄膜14与ITO薄膜8的真实接触面积与聚合物薄膜所受载荷的变化规律；另一方面，托盘平台4的上下往复移动，使得聚合物薄膜14与ITO薄膜8不断的接触分离，根据摩擦起电和静电感应原理，将其接入电路制作成摩擦纳米发电机，将ITO薄膜8和金属薄膜15与静电计连接，通过电信号检测装置中的静电计与计算机连接，将静电计获得的电压信号传到计算机。这样，计算机分别获得摩擦纳米发电机产生的电信号以及聚合物薄膜的真实接触面积，由此可以得到聚合物薄膜电压输出特性与接触面积的关系。
综上所述，本发明提出的一种基于力反馈原理的摩擦纳米发电机接触面积实时检测装置，通过单片机控制所测聚合物薄膜与ITO薄膜的接触分离，利用压力传感器获得所测聚合物薄膜所受的变化载荷信号并传到单片机，为系统提供位置反馈信号；根据摩擦生电和静电感应原理，将摩擦纳米发电机产生的电压信号传到计算机；利用光学测量原理通过CCD图像传感器获得所测聚合物薄膜与ITO 薄膜的接触区域图像，并利用计算软件算出二者真实的接触面积。该装置可以实时检测摩擦纳米发电机工作时的真实接触面积，实现了实时检测聚合物薄膜电压输出性能与其接触面积的关系，为摩擦纳米发电机性能研究领域提供了极大的便利。
本发明的一种基于力反馈原理的摩擦纳米发电机接触面积实时检测装置，不仅可用于研究摩擦纳米发电机中聚合物薄膜真实接触面积与电输出特性的关系，此外还可以用于研究摩擦纳米发电机中聚合物薄膜与不同表面粗糙度的材料接触时真实接触面积与所受载荷的关系，提高了摩擦纳米发电机输出性能研究领域的实验精度和效率，也为诸多与聚合物薄膜相关的研究带来了极大的便利，且该发明装置灵活可拆卸，占用实验空间小，操作简单，有很大的实用价值。