[发明专利]静电式速度传感器

说明书

本发明提供了一种可测量线性运动速度或旋转运动速度的多功能速度传感器，包括可以相互滑动的圆筒状第一部件和第二部件，第一部件的和第二部件的内外表面均为平行排列的条状电极与摩擦层相互交替形成的栅格式结构，同一部件的内表面和外表面的栅格结构相互错开半个周期。圆筒状第一部件的外表面和第二部件的内表面发生相对线性滑动或相对旋转滑动时，两个栅格结构相互滑动摩擦，条状电极与摩擦层相互交替摩擦，在表面产生摩擦静电。静电依附在栅格的摩擦材料上，在运动中周期性驱动电子往复于摩擦膜的两个表面上的栅格电极，从而产生交替的电信号输出。该电信号的周期反映出栅格的周期结构，从而可以用来测量相对运动的速度。

技术领域

本发明涉及传感器领域，特别涉及一种能自驱动的测量直线性运动或者旋转运动的速度传感器。

背景技术

随着电子技术的兴起和工业生产的要求，开发低能耗主动式运动传感器受到越来越多的关注。传统的运动传感器需要电能供给方能工作，例如机床控制，鼠标等等，使传感器的结构复杂，并且应用环境受到电能供给的限制。

发明内容

(一)要解决的技术问题

速度传感器是将机械运动与电信号耦合的电子器件。机械运动具有机械能，因此可以利用这一能量设计出不依赖于外界供电而自主发生信号的传感器。这将是一种低功耗的传感器。此外，直线性运动和旋转运动是自然界中最常见的两种运动，设计一种结构可以满足测量两种运动的传感器可以极大地节约成本。最后，设计出的传感器应该满足输出信号具有运动速度相关的信息，从而可以通过分析信号计算出速度值。

(二)技术方案

2012年以来，纳米摩擦发电机的发明使得机械能转化为电能的方法变得成本低廉而且极易实现。通过两种不同材料之间的接触摩擦，接触表面会带有静电。在摩擦面分离之前，等量异种电荷集中在微小的距离内，对外部空间不显电场。当带有静电的材料发生分离并做机械运动时，静电荷在空间的移动使空间产生交变电场。如果空间中有恰当安置的导体材料和回路，便可产生电流。摩擦材料可以是两种不同的高分子材料等绝缘体或半导体，亦可其中之一金属等导体。这种技术可以实现机械能转化为电能的发电机，亦可用于制作主动信号输出的机械运动传感器。

为了使输出信号包含传感器所测量的机械运动的速度信息，可以通过测量空间位移和测量时间跨度计算得到速度。在输出信号中融合进位移信息，可以通过将摩擦材料的表面设计成栅格状。两种摩擦材料在接触时栅格相互平行，当发生交替位错时，交替移动的静电荷分布会导致对应的栅格电极之间产生反复的电流，形成交流信号。交流信号的周期反映了栅格电极的周期和移动速度之间的关系。

本发明提供的静电式速度传感器，包括：

圆筒状第一部件，包括：第一摩擦件、在所述第一摩擦件的内外表面分别接触设置的第一电极层和第二电极层；

圆筒状第二部件，包括：第二摩擦件、所述第二摩擦件的内外表面分别接触设置的第三电极层和第四电极层；

所述第一部件与第二部件以第一部件的轴线为轴相互转动或者沿着轴向相互滑动时，所述第二部件的内表面与第一部件的外表面相互紧密接触；

其中，所述第一电极层、第二电极层、第三电极层和第四电极层均由平行等距排列并且形状相同的条形电极组成，相邻两个条形电极的距离与条形电极的宽度相同，所有所述条形电极的长度延伸方向与所在部件的轴线方向的夹角相同均为θ；所述第一电极层与第二电极层错开半个周期，所述第三电极层与第四电极层错开半个周期；

所述第一电极层与第四电极层中的所有条形电极电连接形成第一输出端，所述第二电极层与第三电极层中的所有条形电极电连接形成第二输出端；

所述第二部件的内表面与第一部件的外表面沿着轴向或者径向相对滑动，所述第一输出端与第二输出端之间输出与所述滑动速度相关的交流电信号。