基于LabVIEW的摩擦发电测量系统实验平台设计

邱 宇， 邵 帅， 杨德超， 王晓娜

(1. 大连理工大学 物理与光电工程学院， 辽宁 大连 116024;2. 大连东软信息学院，电子工程系， 辽宁 大连 116024)

自2012年，王中林教授的科研团队研制出第一台摩擦发电机以来[1]，摩擦电发电机由于具有超高输出、成本低廉、可持续性和清洁环保等一系列优点，已经成为能源领域的研究热点。摩擦发电机主要利用摩擦起电及静电感应原理将机械能转化为电能，利用这一原理，可以将环境中存在的机械能转化为电能，继而为可穿戴器件、自供能传感器、植入式医疗器件等多种器件进行供电[2-6]。

LabVIEW是美国国家仪器(NI)公司研制开发的软件产品，是目前应用较为广泛的一款图形化编程软件，LabVIEW使用图形化语言，操作简单、界面直观，目前已经广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件[7-10]。本论文将采用LabVIEW软件设计一款摩擦发电机测量系统，实现对机械能的搜集和电信号数据分析、处理和显示等功能。该测量系统和实验平台可以作为一般实验教学的测量设备使用，也用于部分科学研究当中。

1 总体设计方案

本研究中的摩擦发电机测量系统包括摩擦发电模块、电机驱动模块和数据采集模块等组成，见图1。总的设计理念是:当摩擦发电机受到外部电机驱动后发生摩擦现象时，产生的摩擦信号转换为电压/电流等模拟信号，通过处理短路与数据采集卡对信号进行采集和处理，将模拟信号转换为计算机可以处理的数字信号，通过LabVIEW 软件读取采集到的数据，并加以整流以及电流换算后，将电压、电流数据送入前端面板，显示被测设备的电压、电流、功率等电学波形信息。

2 硬件装置设计

2.1 摩擦发电模块

摩擦发电模块是一种将机械能转化为电能的装置，它主要利用摩擦起电和静电感应的原理[1， 11]， 能够广泛收集环境中的机械能，并转化为电能输出。摩擦发电机种类包括接触-分离式、水平滑动式、单电极式、独立摩擦式等[11-14]。在本研究的摩擦测量系统中，采用的是独立摩擦式摩擦发电机中的球形摩擦纳米发电机作为摩擦发电机模块，其主要结构如图1(b)所示。利用一个直径为8 cm的透明塑料球壳作为基底，将4块面积分别为50 cm2的铝箔作为电极，对称地贴在球壳内部。在球壳内部放入PTFE小球作为自由摩擦体。PTFE小球和铝片经过充分地接触后，PTFE小球表面将携带负的摩擦电荷，而铝片表面携带正的摩擦电荷。当小球在球壳内紧贴内壁滚动时，都会引起空间电势的不断变化，不同的铝片之间将产生电势差，从而使连接不同铝片的导线中产生交流电信号，实现机械能向电能的转化。

图1 摩擦发电测量系统和球形摩擦发电机的实物图

2.2 电机驱动模块

电机驱动模块由6 V变压器电源、N20直流电机、低压直流调速器组成，与摩擦发电模块相连。当电机驱动球形摩擦发电机旋转时，产生摩擦发电。通过调节电机驱动上的变阻器调节供给直流电机的电压，从而改变摩擦发电球的转速，直流电机与发电球体相连带动球体转动，接入发电球体内部的导线与发电极片相连，通过空心滑环将产生的电信号引入下一个模块。

2.3 数据采集模块

数据采集模块用于采集摩擦发电装置产生的电信号，主要由arduino uno、线性调压分压板和数据线3部分组成，见图2。线型分压调压板接收由摩擦发电模块产生的电信号，并且将电信号进行分压调整到所需的电压幅度，调制后的电信号由数据线接入arduino uno，通过arduino uno将所接收的电信号经由数据线送入计算机进行分析处理。

图2 数据采集模块的构造图

以上几大模块连接到计算机构成摩擦发电机测量系统，以实现对机械能的搜集和电信号数据分析、处理和显示功能。

3 软件功能设计

本论文所研制的摩擦发电测量系统采用LabVIEW作为开发平台，进而实现电信号数据进行分析以及显示所述电信号数据和所述分析结果。分析软件部分由人机界面程序模块、采集控制与测量模块和软件滤波模块、波形分析模块、数据后处理模块组成。下面分别介绍这些功能呢模块。

3.1 人机界面程序模块

摩擦发电模块产生的电信号数值通过人机界面程序模块直观显示。图3是编写的LabVIEW软件前面板。仪器参数的设置、测试结果和显示等功能都是通过软件编程实现。前面板主要显示包括电压波形、电流波形、软件整流模拟图、实时功率波形、频率预览图、时间日期显示窗口、输入端口选择窗口、零点校正窗口、当前电压值窗口、电压、电流净差窗口，波形图与窗口显示由采集卡模块采集、经后端处理过的电信号。

图3 摩擦纳米发电信号实时测量LabVIEW前面板

3.2 采集控制与测量模块

采集控制与测量模块通过LabVIEW图形化编程软件进行编程，读取arduino uno上模拟信号采集口的信号，并且通过软件还原经由分压板缩小的信号。

3.3 软件滤波模块

软件滤波模块通过LabVIEW提供的滤波器将原信号中的高频干扰信号滤去，提高信号准确性，并且可以根据用户需求自选截止频率以及滤波阶数。

3.4 波形分析模块

波形分析模块采用单频测量来测量输入信号的频率，并且与前面板连接进而显示器件工作时的工作频率。

3.5 数据后处理模块

数据后处理模块将已进行过初步处理的信号进一步处理，通过软件整流以及电流换算后通过前端波形显示面板进行显示。

3.6 软件的主程序

将各模块的程序按顺序结构设计出软件的主程序，软件系统的程序框图见图4。第1帧实现采集电压信号的实时采集；第2帧实现测量摩擦发电球运动频率的监控；第3帧滤去高频干扰信号，提高信号准确性，可以根据用户需求自选截止频率以及滤波阶数；第4帧完成数据的后期处理和前端面板的显示。

图4 系统程序框图

4 数据测量与分析

在实验室环境下，对本摩擦发电测量系统进行了实验与测试。具体操作流程:(1)将数据采集卡分别与摩擦发电模块和计算进行连接；(2)通过计算机选择数据采集卡占用的端口以及摩擦发电模块在数据采集卡上占用的采集通道；(3)打开驱动电机模块开关，让摩擦发电机球发生旋转，使其内部产生摩擦现象；(4)通过LabVIEW 软件记录并保存数据采集卡采集到的电压数据，通过数据分析处理，还可以同步显示被测设备的电流随时间输出曲线、功率随时间变化曲线以及整流后电压/电流的输出曲线。图5为开启驱动电机模块开关后，通过LabVIEW 软件记录的电信号图像。

图5 实时监测摩擦发电体所产生的输出信号图像

通过软件的测试，发电球上产生的电信号为正弦波，测量电压约为5～20 V，测量电流为μA级，产生的功率为μW级。本实验仪器与4200-SCS半导体综合测量系统测量的结果进行了对比发现，本测量系统也存在一些误差，这些来源于采集卡的精度限制，以及分压电阻上的电能损耗。尽管如此，本摩擦发电测量装置基本满足本科实验和部分科研的需要。

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