[發(fā)明專利]自驅(qū)動位移和速度傳感方法、傳感器和傳感器的制作方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310559783.2
• 申請日: 2013-11-12
• 公開（公告）號: CN103791927A
• 公開（公告）日: 2014-05-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周瑜升;朱光;王中林
• 申請（專利權(quán)）人: 國家納米科學(xué)中心
• 主分類號: G01D5/14
• 分類號: G01D5/14;G01B7/02;G01P3/52
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種自驅(qū)動位移和速度傳感方法，以及相應(yīng)的傳感器和傳感器的制作方法，特別涉及一種無源驅(qū)動的，可將一維機(jī)械運(yùn)動轉(zhuǎn)化為電子信號并精確測量其位移和速度的傳感方法，傳感器以及該傳感器的制備方法。

背景技術(shù)

位移與速度傳感器在當(dāng)今各個工業(yè)與研究領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。當(dāng)今機(jī)械電子器件無線、便攜化的發(fā)展方向要求降低系統(tǒng)各個部件的功耗，因此發(fā)展低功耗或自驅(qū)動的位移與速度傳感方法對于整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

目前位移與速度傳感技術(shù)主要集中在電容傳感、靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)、激光干涉和線性電阻技術(shù)。但這些技術(shù)都需要外置電源提供預(yù)設(shè)信號，通過測量預(yù)設(shè)信號的變化來測量位移或速度。因此，基于這些技術(shù)的設(shè)計(jì)無法避免器件的靜態(tài)功耗，使得降低功耗的途徑受到限制。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明的目的在于提供一種自驅(qū)動的位移與速度傳感方法、相應(yīng)的傳感器和傳感器的制作方法以實(shí)現(xiàn)無源驅(qū)動下對于一維位移或速度的高精度測量。

(二)技術(shù)方案

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一個方面提出一種位移傳感方法，用于測量被測物體在指定方向上的相對位移，該方法包括如下步驟：將一個傳感器固定在所述被測物體上，所述傳感器包括兩個相互貼合且能夠在所述指定方向上相對滑動的第一部件和第二部件，該被測物體與所述第一部件和第二部件的其中之一固定連接，所述第一部件和第二部件的摩擦面相互接觸，使兩個摩擦層表面由于接觸起電效應(yīng)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，使得兩個摩擦面各自帶極性相反的電荷；使所述被測物體帶動所述第一部件或第二部件在所述指定方向上相對于另一部件發(fā)生相對位移，并且在相對位移的過程中，第一部件和第二部件相互接觸的滑動摩擦面的面積發(fā)生周期性變化，由此在第一部件或第二部件之中產(chǎn)生周期性變化的電場；根據(jù)所述第一部件或第二部件之間由所述周期性變化電場產(chǎn)生的電壓或電流的波形，獲得所述第一部件或第二部件在所述指定方向上的相對位移，即為所述被測物體相對于其中一個部件在所述指定方向上的位移。

在一種實(shí)施方式中，所述第一部件和第二部件的發(fā)生滑動摩擦的表面在所述指定方向上呈現(xiàn)柵格形狀，所述柵格形狀是指周期性的凸起和凹陷的形狀。

在一種實(shí)施方式中，所述第一部件和第二部件的發(fā)生滑動摩擦的表面的柵格形狀具有相同的周期。

在一種實(shí)施方式中，所述柵格形狀的一個周期的凸起部分在所述指定方向上的長度與凹陷部分的該指定方向上的長度相等。

在一種實(shí)施方式中，當(dāng)所述第一部件和第二部件的柵格形狀的周期為P，在所述相對滑動過程中產(chǎn)生的所述電壓或電流的周期數(shù)為N時，被測物體的位移L通過如下公式計(jì)算獲得：L=N×P。

在一種實(shí)施方式中，當(dāng)所述第一部件和第二部件的柵格形狀的周期為P，在所述相對滑動過程中產(chǎn)生的所述電壓的周期數(shù)為N時，被測物體的位移L通過如下公式計(jì)算獲得：L=N×P+l(V，V_A)，其中V為當(dāng)前電壓值，V_A為所述電壓信號的最大幅值，l(V，V_A)表示當(dāng)前電壓值V對應(yīng)的兩個柵格凸起部分在一個周期內(nèi)的相對位移。

在一種實(shí)施方式中，所述第一部件和第二部件的柵格形狀的凸起部分不是鏡像對稱的，所述鏡像對稱指的是關(guān)于垂直于所述兩個部件發(fā)生相對位移的方向的平面是鏡像對稱的，所述方法還包括：根據(jù)一個周期內(nèi)電荷隨位移的變化波形可以獲得所述相對位移的方向。

本發(fā)明的另一方面提出一種速度傳感方法，用于測量被測物體在指定方向上的運(yùn)動速度，該方法包括如下步驟：將一個傳感器固定在所述被測物體上，所述傳感器包括兩個相互貼合且能夠在所述指定方向上相對滑動的第一部件和第二部件，該被測物體與所述第一部件和第二部件的其中之一固定連接；，所述第一部件和第二部件的摩擦面相互接觸，使兩個摩擦層表面由于接觸起電效應(yīng)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，使得兩個摩擦面各自帶極性相反的電荷；使所述被測物體帶動所述第一部件或第二部件在所述指定方向上相對于另一部件發(fā)生滑動摩擦并產(chǎn)生相對位移，并且在相對位移的過程中，第一部件和第二部件相互接觸的滑動摩擦面的面積發(fā)生周期性變化，由此在第一部件或第二部件之中產(chǎn)生極性相反且量值呈周期性變化的感應(yīng)電荷；根據(jù)所述第一部件或第二部件之間由所述周期性變化的感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電流，獲得所述第一部件或第二部件在所述指定方向上的速度，即為所述被測物體相對于其中一個部件在所述指定方向上的速度。