基于LabVIEW的摩擦發電測量系統實驗平臺設計

邱 宇， 邵 帥， 楊德超， 王曉娜

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

自2012年，王中林教授的科研團隊研制出第一臺摩擦發電機以來[1]，摩擦電發電機由于具有超高輸出、成本低廉、可持續性和清潔環保等一系列優點，已經成為能源領域的研究熱點。摩擦發電機主要利用摩擦起電及靜電感應原理將機械能轉化為電能，利用這一原理，可以將環境中存在的機械能轉化為電能，繼而為可穿戴器件、自供能傳感器、植入式醫療器件等多種器件進行供電[2-6]。

LabVIEW是美國國家儀器(NI)公司研制開發的軟件產品，是目前應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，目前已經廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件[7-10]。本論文將采用LabVIEW軟件設計一款摩擦發電機測量系統，實現對機械能的搜集和電信號數據分析、處理和顯示等功能。該測量系統和實驗平臺可以作為一般實驗教學的測量設備使用，也用于部分科學研究當中。

1 總體設計方案

本研究中的摩擦發電機測量系統包括摩擦發電模塊、電機驅動模塊和數據采集模塊等組成，見圖1。總的設計理念是:當摩擦發電機受到外部電機驅動后發生摩擦現象時，產生的摩擦信號轉換為電壓/電流等模擬信號，通過處理短路與數據采集卡對信號進行采集和處理，將模擬信號轉換為計算機可以處理的數字信號，通過LabVIEW 軟件讀取采集到的數據，并加以整流以及電流換算后，將電壓、電流數據送入前端面板，顯示被測設備的電壓、電流、功率等電學波形信息。

2 硬件裝置設計

2.1 摩擦發電模塊

摩擦發電模塊是一種將機械能轉化為電能的裝置，它主要利用摩擦起電和靜電感應的原理[1， 11]， 能夠廣泛收集環境中的機械能，并轉化為電能輸出。摩擦發電機種類包括接觸-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中，采用的是獨立摩擦式摩擦發電機中的球形摩擦納米發電機作為摩擦發電機模塊，其主要結構如圖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，對稱地貼在球殼內部。在球殼內部放入PTFE小球作為自由摩擦體。PTFE小球和鋁片經過充分地接觸后，PTFE小球表面將攜帶負的摩擦電荷，而鋁片表面攜帶正的摩擦電荷。當小球在球殼內緊貼內壁滾動時，都會引起空間電勢的不斷變化，不同的鋁片之間將產生電勢差，從而使連接不同鋁片的導線中產生交流電信號，實現機械能向電能的轉化。

圖1 摩擦發電測量系統和球形摩擦發電機的實物圖

2.2 電機驅動模塊

電機驅動模塊由6 V變壓器電源、N20直流電機、低壓直流調速器組成，與摩擦發電模塊相連。當電機驅動球形摩擦發電機旋轉時，產生摩擦發電。通過調節電機驅動上的變阻器調節供給直流電機的電壓，從而改變摩擦發電球的轉速，直流電機與發電球體相連帶動球體轉動，接入發電球體內部的導線與發電極片相連，通過空心滑環將產生的電信號引入下一個模塊。

2.3 數據采集模塊

數據采集模塊用于采集摩擦發電裝置產生的電信號，主要由arduino uno、線性調壓分壓板和數據線3部分組成，見圖2。線型分壓調壓板接收由摩擦發電模塊產生的電信號，并且將電信號進行分壓調整到所需的電壓幅度，調制后的電信號由數據線接入arduino uno，通過arduino uno將所接收的電信號經由數據線送入計算機進行分析處理。

圖2 數據采集模塊的構造圖

以上幾大模塊連接到計算機構成摩擦發電機測量系統，以實現對機械能的搜集和電信號數據分析、處理和顯示功能。

3 軟件功能設計

本論文所研制的摩擦發電測量系統采用LabVIEW作為開發平臺，進而實現電信號數據進行分析以及顯示所述電信號數據和所述分析結果。分析軟件部分由人機界面程序模塊、采集控制與測量模塊和軟件濾波模塊、波形分析模塊、數據后處理模塊組成。下面分別介紹這些功能呢模塊。

3.1 人機界面程序模塊

摩擦發電模塊產生的電信號數值通過人機界面程序模塊直觀顯示。圖3是編寫的LabVIEW軟件前面板。儀器參數的設置、測試結果和顯示等功能都是通過軟件編程實現。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、經后端處理過的電信號。

圖3 摩擦納米發電信號實時測量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，提高信號準確性，并且可以根據用戶需求自選截止頻率以及濾波階數。

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而顯示器件工作時的工作頻率。

3.5 數據后處理模塊

數據后處理模塊將已進行過初步處理的信號進一步處理，通過軟件整流以及電流換算后通過前端波形顯示面板進行顯示。

3.6 軟件的主程序

將各模塊的程序按順序結構設計出軟件的主程序，軟件系統的程序框圖見圖4。第1幀實現采集電壓信號的實時采集；第2幀實現測量摩擦發電球運動頻率的監控；第3幀濾去高頻干擾信號，提高信號準確性，可以根據用戶需求自選截止頻率以及濾波階數；第4幀完成數據的后期處理和前端面板的顯示。

圖4 系統程序框圖

4 數據測量與分析

在實驗室環境下，對本摩擦發電測量系統進行了實驗與測試。具體操作流程:(1)將數據采集卡分別與摩擦發電模塊和計算進行連接；(2)通過計算機選擇數據采集卡占用的端口以及摩擦發電模塊在數據采集卡上占用的采集通道；(3)打開驅動電機模塊開關，讓摩擦發電機球發生旋轉，使其內部產生摩擦現象；(4)通過LabVIEW 軟件記錄并保存數據采集卡采集到的電壓數據，通過數據分析處理，還可以同步顯示被測設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為開啟驅動電機模塊開關后，通過LabVIEW 軟件記錄的電信號圖像。

圖5 實時監測摩擦發電體所產生的輸出信號圖像

通過軟件的測試，發電球上產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，產生的功率為μW級。本實驗儀器與4200-SCS半導體綜合測量系統測量的結果進行了對比發現，本測量系統也存在一些誤差，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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