基于摩擦电原理的气动位置监测方法与实验研究

作     者：袁子棠 

作者单位：长春工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：程廷海;姚丙南

授予年度：2023年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：摩擦电传感器 三相差分电极 信号调理电路 气动位置监测系统 实时无线监测 

摘      要：随着自动化行业的快速发展,传感技术也在不断地进步和创新。气动技术是实现机械自动化的一种非常重要的手段,气缸作为气动系统中最重要的执行元件,所以对气缸运行状态的监测是非常有必要的。有效的气缸监测可以提高气动系统的效率和灵活性,并有助于诊断和预防气缸故障,从而降低维护成本和停机时间。特别是在工业信息化蓬勃发展的今天,积极推动气缸定位技术的发展可助力智能气动技术的实现。因此,本课题基于摩擦起电与静电感应耦合原理,研制了一种摩擦电式气缸位置传感器能够实时监测气缸的运行状态,根据其电信号的特点设计了一种信号调理电路并开发了硬件模块,结合气动系统的实际应用需求搭建了集成式气动位置监测系统。首先,介绍了摩擦纳米发电机的基本原理,解释了其产生电信号的物理机理。阐述了独立层式摩擦纳米发电机的工作原理并构建了基本的物理模型,说明了其输出电信号的特点。结合基础的动力学理论和独立层式摩擦纳米发电机的物理模型,分析了气缸的运行状态对输出性能的影响,进一步解释了电信号的输出规律。下一步,开展了摩擦电式气缸位置传感器的结构设计和仿真分析,根据气动系统的实际应用需求,确定了传感器的结构参数并进行样机加工制作与组装,通过有限元分析仿真软件分析了传感单元在不同位置时的电势分布规律,验证了传感单元结构设计和尺寸参数的合理性,为后续实验测试提供支撑,阐明了传感器的检测原理。然后,搭建实验测试系统在不同测试条件下对摩擦电式气缸位置传感器的基本输出性能、负载特性和耐久性等实验研究,进行了传感器的基本特性的分析与验证。进一步,分析了传感器的位移测量性能和速度测量性能,并且通过商用光栅尺对其测量位移的准确性进行评估,结果表明该传感器准确可靠。最后,针对摩擦电传感器的信号特点,设计了一种具有阻抗匹配和模数转换功能的信号调理电路并进行了电路仿真分析和功能测试,开发了具有实时无线传输功能的集成硬件模块。结合气动系统的应用需求搭建了集成式气动位置监测系统,实现了气缸运行状态的实时监测。本文提出了一种检测气缸活塞位置的新方法,通过基本理论分析、仿真验证和实验研究等方法系统研究了摩擦电式气缸位置传感器的性能,进一步推动了摩擦电传感器在气动行业乃至自动化行业的应用。未来的研究工作包括提升摩擦电式气缸位置传感器的寿命,对集成式气动位置监测系统封装以适应不同的使用场景。