邱 宇， 邵 帥， 楊德超， 王曉娜

(1. 大連理工大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024;2. 大連東軟信息學(xué)院，電子工程系， 遼寧 大連 116024)

自2012年，王中林教授的科研團(tuán)隊研制出第一臺摩擦發(fā)電機(jī)以來[1]，摩擦電發(fā)電機(jī)由于具有超高輸出、成本低廉、可持續(xù)性和清潔環(huán)保等一系列優(yōu)點，已經(jīng)成為能源領(lǐng)域的研究熱點。摩擦發(fā)電機(jī)主要利用摩擦起電及靜電感應(yīng)原理將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，利用這一原理，可以將環(huán)境中存在的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，繼而為可穿戴器件、自供能傳感器、植入式醫(yī)療器件等多種器件進(jìn)行供電[2-6]。

LabVIEW是美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)的軟件產(chǎn)品，是目前應(yīng)用較為廣泛的一款圖形化編程軟件，LabVIEW使用圖形化語言，操作簡單、界面直觀，目前已經(jīng)廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受，視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件[7-10]。本論文將采用LabVIEW軟件設(shè)計一款摩擦發(fā)電機(jī)測量系統(tǒng)，實現(xiàn)對機(jī)械能的搜集和電信號數(shù)據(jù)分析、處理和顯示等功能。該測量系統(tǒng)和實驗平臺可以作為一般實驗教學(xué)的測量設(shè)備使用，也用于部分科學(xué)研究當(dāng)中。

1 總體設(shè)計方案

本研究中的摩擦發(fā)電機(jī)測量系統(tǒng)包括摩擦發(fā)電模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊和數(shù)據(jù)采集模塊等組成，見圖1?？偟脑O(shè)計理念是:當(dāng)摩擦發(fā)電機(jī)受到外部電機(jī)驅(qū)動后發(fā)生摩擦現(xiàn)象時，產(chǎn)生的摩擦信號轉(zhuǎn)換為電壓/電流等模擬信號，通過處理短路與數(shù)據(jù)采集卡對信號進(jìn)行采集和處理，將模擬信號轉(zhuǎn)換為計算機(jī)可以處理的數(shù)字信號，通過LabVIEW 軟件讀取采集到的數(shù)據(jù)，并加以整流以及電流換算后，將電壓、電流數(shù)據(jù)送入前端面板，顯示被測設(shè)備的電壓、電流、功率等電學(xué)波形信息。

2 硬件裝置設(shè)計

2.1 摩擦發(fā)電模塊

摩擦發(fā)電模塊是一種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，它主要利用摩擦起電和靜電感應(yīng)的原理[1， 11]， 能夠廣泛收集環(huán)境中的機(jī)械能，并轉(zhuǎn)化為電能輸出。摩擦發(fā)電機(jī)種類包括接觸-分離式、水平滑動式、單電極式、獨立摩擦式等[11-14]。在本研究的摩擦測量系統(tǒng)中，采用的是獨立摩擦式摩擦發(fā)電機(jī)中的球形摩擦納米發(fā)電機(jī)作為摩擦發(fā)電機(jī)模塊，其主要結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。利用一個直徑為8 cm的透明塑料球殼作為基底，將4塊面積分別為50 cm2的鋁箔作為電極，對稱地貼在球殼內(nèi)部。在球殼內(nèi)部放入PTFE小球作為自由摩擦體。PTFE小球和鋁片經(jīng)過充分地接觸后，PTFE小球表面將攜帶負(fù)的摩擦電荷，而鋁片表面攜帶正的摩擦電荷。當(dāng)小球在球殼內(nèi)緊貼內(nèi)壁滾動時，都會引起空間電勢的不斷變化，不同的鋁片之間將產(chǎn)生電勢差，從而使連接不同鋁片的導(dǎo)線中產(chǎn)生交流電信號，實現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化。

圖1 摩擦發(fā)電測量系統(tǒng)和球形摩擦發(fā)電機(jī)的實物圖

2.2 電機(jī)驅(qū)動模塊

電機(jī)驅(qū)動模塊由6 V變壓器電源、N20直流電機(jī)、低壓直流調(diào)速器組成，與摩擦發(fā)電模塊相連。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動球形摩擦發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生摩擦發(fā)電。通過調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動上的變阻器調(diào)節(jié)供給直流電機(jī)的電壓，從而改變摩擦發(fā)電球的轉(zhuǎn)速，直流電機(jī)與發(fā)電球體相連帶動球體轉(zhuǎn)動，接入發(fā)電球體內(nèi)部的導(dǎo)線與發(fā)電極片相連，通過空心滑環(huán)將產(chǎn)生的電信號引入下一個模塊。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊用于采集摩擦發(fā)電裝置產(chǎn)生的電信號，主要由arduino uno、線性調(diào)壓分壓板和數(shù)據(jù)線3部分組成，見圖2。線型分壓調(diào)壓板接收由摩擦發(fā)電模塊產(chǎn)生的電信號，并且將電信號進(jìn)行分壓調(diào)整到所需的電壓幅度，調(diào)制后的電信號由數(shù)據(jù)線接入arduino uno，通過arduino uno將所接收的電信號經(jīng)由數(shù)據(jù)線送入計算機(jī)進(jìn)行分析處理。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊的構(gòu)造圖

以上幾大模塊連接到計算機(jī)構(gòu)成摩擦發(fā)電機(jī)測量系統(tǒng)，以實現(xiàn)對機(jī)械能的搜集和電信號數(shù)據(jù)分析、處理和顯示功能。

3 軟件功能設(shè)計

本論文所研制的摩擦發(fā)電測量系統(tǒng)采用LabVIEW作為開發(fā)平臺，進(jìn)而實現(xiàn)電信號數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以及顯示所述電信號數(shù)據(jù)和所述分析結(jié)果。分析軟件部分由人機(jī)界面程序模塊、采集控制與測量模塊和軟件濾波模塊、波形分析模塊、數(shù)據(jù)后處理模塊組成。下面分別介紹這些功能呢模塊。

3.1 人機(jī)界面程序模塊

摩擦發(fā)電模塊產(chǎn)生的電信號數(shù)值通過人機(jī)界面程序模塊直觀顯示。圖3是編寫的LabVIEW軟件前面板。儀器參數(shù)的設(shè)置、測試結(jié)果和顯示等功能都是通過軟件編程實現(xiàn)。前面板主要顯示包括電壓波形、電流波形、軟件整流模擬圖、實時功率波形、頻率預(yù)覽圖、時間日期顯示窗口、輸入端口選擇窗口、零點校正窗口、當(dāng)前電壓值窗口、電壓、電流凈差窗口，波形圖與窗口顯示由采集卡模塊采集、經(jīng)后端處理過的電信號。

圖3 摩擦納米發(fā)電信號實時測量LabVIEW前面板

3.2 采集控制與測量模塊

采集控制與測量模塊通過LabVIEW圖形化編程軟件進(jìn)行編程，讀取arduino uno上模擬信號采集口的信號，并且通過軟件還原經(jīng)由分壓板縮小的信號。

3.3 軟件濾波模塊

軟件濾波模塊通過LabVIEW提供的濾波器將原信號中的高頻干擾信號濾去，提高信號準(zhǔn)確性，并且可以根據(jù)用戶需求自選截止頻率以及濾波階數(shù)。

3.4 波形分析模塊

波形分析模塊采用單頻測量來測量輸入信號的頻率，并且與前面板連接進(jìn)而顯示器件工作時的工作頻率。

3.5 數(shù)據(jù)后處理模塊

數(shù)據(jù)后處理模塊將已進(jìn)行過初步處理的信號進(jìn)一步處理，通過軟件整流以及電流換算后通過前端波形顯示面板進(jìn)行顯示。

3.6 軟件的主程序

將各模塊的程序按順序結(jié)構(gòu)設(shè)計出軟件的主程序，軟件系統(tǒng)的程序框圖見圖4。第1幀實現(xiàn)采集電壓信號的實時采集；第2幀實現(xiàn)測量摩擦發(fā)電球運動頻率的監(jiān)控；第3幀濾去高頻干擾信號，提高信號準(zhǔn)確性，可以根據(jù)用戶需求自選截止頻率以及濾波階數(shù)；第4幀完成數(shù)據(jù)的后期處理和前端面板的顯示。

圖4 系統(tǒng)程序框圖

4 數(shù)據(jù)測量與分析

在實驗室環(huán)境下，對本摩擦發(fā)電測量系統(tǒng)進(jìn)行了實驗與測試。具體操作流程:(1)將數(shù)據(jù)采集卡分別與摩擦發(fā)電模塊和計算進(jìn)行連接；(2)通過計算機(jī)選擇數(shù)據(jù)采集卡占用的端口以及摩擦發(fā)電模塊在數(shù)據(jù)采集卡上占用的采集通道；(3)打開驅(qū)動電機(jī)模塊開關(guān)，讓摩擦發(fā)電機(jī)球發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使其內(nèi)部產(chǎn)生摩擦現(xiàn)象；(4)通過LabVIEW 軟件記錄并保存數(shù)據(jù)采集卡采集到的電壓數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析處理，還可以同步顯示被測設(shè)備的電流隨時間輸出曲線、功率隨時間變化曲線以及整流后電壓/電流的輸出曲線。圖5為開啟驅(qū)動電機(jī)模塊開關(guān)后，通過LabVIEW 軟件記錄的電信號圖像。

圖5 實時監(jiān)測摩擦發(fā)電體所產(chǎn)生的輸出信號圖像

通過軟件的測試，發(fā)電球上產(chǎn)生的電信號為正弦波，測量電壓約為5～20 V，測量電流為μA級，產(chǎn)生的功率為μW級。本實驗儀器與4200-SCS半導(dǎo)體綜合測量系統(tǒng)測量的結(jié)果進(jìn)行了對比發(fā)現(xiàn)，本測量系統(tǒng)也存在一些誤差，這些來源于采集卡的精度限制，以及分壓電阻上的電能損耗。盡管如此，本摩擦發(fā)電測量裝置基本滿足本科實驗和部分科研的需要。

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