基于行星齿轮结构摩擦纳米发电机的自驱动加速度计制造技术

本发明专利技术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，本发明专利技术包括行星齿轮结构和锯齿状摩擦纳米发电机，所述行星齿轮结构输入端与汽车轮胎轴心处相连，所述锯齿状摩擦纳米发电机包含上金属电极层、上摩擦层与下金属电极层。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产生摩擦电荷与感应电荷，从而产生电压与电流，检测上、下金属电极间电压的大小，凭借本发明专利技术特有的结构，对所获得的电压数据进行处理，可依靠输出电压峰值点与谷值点时刻实现对汽车行驶加速度的精准感知。与现有技术相比，提高了传感器灵敏度、增加了传感器测量范围，同时实现了传感器的自驱动化，无需外接电源。源。源。

【技术实现步骤摘要】
基于行星齿轮结构摩擦纳米发电机的自驱动加速度计


[0001]本专利技术涉及一种加速度计，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]本专利技术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，专利技术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。
[0005]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]进一步地，所述连杆、滑块、外壳支架采用亚克力材料。
[0011]进一步地，所述塞打螺钉、长螺母、带螺栓轴承为标准件。
[0012]所述汽车行驶加速度感知算法如下：
[0013]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：
[0014]v＝x/(t2‑
t1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0015]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，本专利技术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，初步验证所专利技术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，实线为本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.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。2.根据权利要求1所述的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，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；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。3.根据权利要求2所述的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，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。4.根据权利要求2所述的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，所述曲柄A1
‑
2输入端与轮胎轴心相连，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；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；所述基体A1
‑
3与镂空式底座A1
‑
1相连形成外壳结构，用于保护齿圈和轮胎，保证两者之间形成隔离；所述作为齿圈的外壳基体A1

【专利技术属性】
技术研发人员：朱兴一，刘帅年，庞亚凤，杜豫川，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：