运动矢量监测单元、监测方法及监测装置技术领域
本发明涉及发电机技术领域，具体地，涉及一种运动矢量监测单元、监
测方法及监测装置。
背景技术
随着电子科技的进步和工业生产的发展趋势，开发低能耗主动输出式运
动传感器受到广泛的关注。而传统的运动传感器都需要外部电能供给方能工
作，例如机床控制，鼠标等等，传感器安装方式复杂，并且应用环境受到电
能供给等外部因素的限制，降低使用适应性。另一方面现有运动传感器尤其
是利用摩擦原理的传感器往往只能测量速率等单一物理量，不能同时确定运
动方向等。
发明内容
本发明的目的是提供一种运动矢量监测单元、监测方法及监测装置，可
无需外接电源即可测量运动矢量。
为了实现上述目的，本发明提供一种运动矢量监测单元，所述运动矢量
监测单元包括：第一部件，所述第一部件包括第一栏摩擦单元和第二栏摩擦
单元；以及第二部件，对应所述第一部件设置，且所述第一部件与所述第二
部件能够相对运动；所述第二部件包括第一电极层，所述第一电极层包括对
应所述第一栏摩擦单元设置的第一栏第一电极单元和对应所述第二栏摩擦
单元设置的第二栏第一电极单元，且在其中一组水平对齐时，另一组水平错
位；用于在相对运动过程中，所述第一栏摩擦单元和第二栏摩擦单元与第二
部件接触摩擦，使所述第一栏摩擦单元和第一栏第一电极单元上以及第二栏
摩擦单元和第二栏第一电极单元上分别产生表征运动矢量的摩擦电荷。
本发明运动矢量监测单元通过将第一部件和第二部件分栏且水平错位
设置，在第一部件和第二部件相对运动过程中，第一栏摩擦单元和第一栏第
一电极单元上以及第二栏摩擦单元和第二栏第一电极单元上分别产生表征
运动矢量的摩擦电荷，进而获得有相位差异的电信号，无需外接电源，即可
准确确定运动矢量的大小和方向。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与
下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在
附图中：
图1是本发明运动矢量监测单元的一实施例结构示意图；
图2是第一栏摩擦单元和第二栏摩擦单元的设置结构示意图；
图3a是第一电极层的结构示意图；
图3b是第二电极层的结构示意图；
图4是第一电极层和第二电极层的连接示意图；
图5a是测量一维正向运动的电信号谱图；
图5b是测量一维反向运动的电信号谱图；
图6是一维运动矢量监测单元测量往复匀速直线运动瞬时速度的测试
图；
图7是一维运动矢量监测单元测量不同加速度环境下的瞬时速度的测试
示意图；
图8是本发明监测装置的一实施例结构示意图。
附图标记说明
10 第一部件 101A 第一栏摩擦单元
101B 第二栏摩擦单元 102 第一支撑层
20 第二部件 201 第一电极层
201A 第一栏第一电极单元 201B 第二栏第一电极单元
202 第二电极层 202A 第一栏第二电极单元
202B 第二栏第二电极单元 203 第二支撑层
204 摩擦层 30A 外接电阻
30B 外接电阻 40A 电压表
40B 电压表
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，
此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发
明。
在发明中，在发明中，在未作相反说明的情况下，发明中提到的方向用
语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。
因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制发明的保护范围。
如图1和图2所示，本发明运动矢量监测单元包括第一部件10，所述第
一部件10包括第一栏摩擦单元101A和第二栏摩擦单元101B；以及第二部
件20，对应所述第一部件10设置，且所述第一部件10与所述第二部件20
能够相对运动；所述第二部件20包括第一电极层201，所述第一电极层201
包括对应所述第一栏摩擦单元101A设置的第一栏第一电极单元201A和对
应所述第二栏摩擦单元101B设置的第二栏第一电极单元201B，且在其中一
组水平对齐时，另一组水平错位(如图3a所示)；用于在相对运动过程中，
所述第一栏摩擦单元101A和第二栏摩擦单元101B与第二部件20接触摩擦，
使所述第一栏摩擦单元101A和第一栏第一电极单元201A上以及第二栏摩
擦单元101B和第二栏第一电极单元201B上分别产生表征运动矢量的摩擦
电荷。
本发明运动矢量监测单元通过将第一部件和第二部件分栏且水平错位
设置，在第一部件和第二部件相对运动过程中，第一栏摩擦单元和第一栏第
一电极单元上以及第二栏摩擦单元和第二栏第一电极单元上分别产生表征
运动矢量的摩擦电荷，进而获得有相位差异的电信号，无需外接电源，即可
准确确定运动矢量的大小和方向，结构简单，操作方便，使用范围广。
其中，所述摩擦电荷可分别通过第一栏第一电极单元201A、第二栏第
一电极单元201B与地引出，形成两组具有相位差异的电信号；或者通过第
一栏第一电极单元201A、第二栏第一电极单元201B与另外设置的电极单元
引出，形成两组具有相位差异的电信号。
其中，所述第一部件10和第二部件20的接触面的材料之间具有摩擦电
极序差异。为增强电信号的强度，所述第一部件10和/或第二部件20的接触
面具有微纳米结构层。
此时，可使第一栏第一电极单元201A和第二栏第一电极单元201B分
别与地连接，从而产生两组具有相位差异的交流电信号，根据两组交流电信
号可确定运动矢量的大小和方向。其中，所述运动矢量包括加速度、速度、
位移等中至少一者。
进一步的，所述第二部件20还包括：第二电极层202，对应所述第一电
极层201。其中，所述第二电极层202包括分别对应所述第一栏第一电极单
元201A和第二栏第一电极单元201B设置的第一栏第二电极单元202A和第
二栏第二电极单元202B，用于在相对运动过程中，所述第一栏第一电极单
元201A和第一栏第二电极单元202A以及第二栏第一电极单元201B和第二
栏第二电极单元202B之间形成表征运动矢量的摩擦电势差；以及第二支撑
层203，设置于所述第一电极层201和第二电极层202之间，用于支撑所述
第一电极层201和第二电极层202。其中，所述第一电极层201和/或第二电
极层202的厚度为10nm-250μm。此时，分别通过第一栏第一电极单元201A
与第一栏第二电极单元202A、第二栏第一电极单元201B与第二栏第二电极
单元202B输出两组具有相位差异的交流电信号，根据两组交流电信号可确
定运动矢量的大小和方向。
其中，所述第一电极层201中的第一栏第一电极单元201A、第二栏第
一电极单元201B，第二电极层202中的第一栏第二电极单元202A、第二栏
第二电极单元202B以及第一栏摩擦单元101A、第二栏摩擦单元101B均包
括等间隔平行设置的多个单体，且所述第一电极层201和第二电极层202中
的每一栏的各所述单体连接，使所述第一栏第一电极单元201A与所述第一
栏第二电极单元202A和/或第二栏第一电极单元201B与第二栏第二电极单
元202B输出电信号(如图4所示)。如图2、图3a和图3b所示，所述第一
栏摩擦单元101A、第二栏摩擦单元101B、第一栏第一电极单元201A、第
二栏第一电极单元201B、第一栏第二电极单元202A及第二栏第二电极单元
202B成栅格结构。
其中，各所述单体的宽度为100μm-10cm，优选地可为100μm-1cm。可
根据本发明运动矢量监测单元的测量范围，选择单体的宽度，例如，对于速
度较慢的运动，单体的宽度较小，可以为100μm-2mm；对于速度较快的运
动；单体的宽度较大，可以为2mm-10cm。此外，为确保输出信号的准确性，
各所述单体的宽度和单体间的间隔相等。
其中，所述第一电极层201与第二电极层202水平错开。优选的，所述
第一电极层201与第二电极层202水平错开1个单体宽度。在所述第一栏摩
擦单元101A与第一栏第一电极单元201A、第二栏摩擦单元101B与第二栏
第一电极单元201B中一组水平对齐，另一组水平错位为0.01至0.49个2倍
单体宽度。优选的，所述另一组水平错位为0.25个2倍单体宽度。在本实施
例中，所述第一栏摩擦单元101A和第二栏摩擦单元101B水平错开0.25个
2倍单体宽度(如图2所示)，所述第一栏第一电极单元201A与第二栏第一
电极单元201B水平对齐(如图3a所示)，所述第一栏第二电极单元202A
与第二栏第二电极单元202B水平对齐(如图3b所示)。
如图1所示，所述第二部件20还包括摩擦层204，设置于所述第一电极
层201的表面，用于在相对运动过程中，分别与所述第一栏摩擦单元101A
和第二栏摩擦单元101B接触摩擦，产生摩擦电荷，并传导至对应的第一电
极层101的第一栏第一电极单元101A和第二栏第一电极单元101B上。同
时所述摩擦层204还可保护所述第一电极层201，避免所述第一电极层201
直接磨损，从而提高本发明运动矢量监测单元的耐久性。
如图1所示，第一部件10还包括第一支撑层102，设置于所述第一栏摩
擦单元101A和第二栏摩擦单元102B的表面，用于支撑所述第一栏摩擦单
元101A和第二栏摩擦单元102B。
其中，所述第一支撑层102、第二支撑层203和/或摩擦层204由绝缘体、
非导电性氧化物或者复杂氧化物材料制成。其中，所述绝缘体材料优选为高
分子聚合物材料，例如：聚四氟乙烯，聚二甲基硅氧烷，聚酰亚胺薄膜、苯
胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲
醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二
酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、再生纤维海绵薄膜、聚氨酯
弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维
薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁
烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁
醛薄膜、酚醛树脂薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶
薄膜、聚丙烯腈薄膜、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄
膜，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或液晶高分子聚合物、聚氯丁
二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙
烯、聚氯乙烯等。优选地，所述第一支撑层102的下表面与摩擦层204的上
表面的材料相同。
所述第一支撑层102、第二支撑层203以及摩擦层204的厚度对本发明
运动矢量监测单元的工作性能无明显影响，只影响输出电信号的幅度，所述
第一支撑层102、第二支撑层203和/或摩擦层204厚度范围一般为25μm至
1mm；优选地，所述厚度范围为50μm至500μm。
其中，所述第一栏摩擦单元101A和第二栏摩擦单元101B的材质可为
金属或者绝缘材料，只需要满足所述第一栏摩擦单元101A和第二栏摩擦单
元101B与第二部件20的摩擦层204的材料之间具有摩擦电极序差异即可。
在本实施例中，所述第一栏摩擦单元101A和第二栏摩擦单元101B由金属
材料制成。所述第一栏摩擦单元101A和第二栏摩擦单元101B、第一电极层
201的第一栏第一电极单元201A和第二栏第一电极单元201B以及第二电极
层202的第一栏第二电极单元202A和第二栏第二电极单元202B的材料可
为金、银、铂、铝、镍、铜、钛或铬等。
为了保证第一部件10与第二部件20在相对运动时，第一部件10与第
二部件20紧密接触，同时又具有一定的抗磨损性能，所述第一栏摩擦单元
101A和第二栏摩擦单元101B的厚度为100nm至100μm。所述第一电极层
201的第一栏第一电极单元201A和第二栏第一电极单元201B和第二电极层
202的第一栏第二电极单元202A和第二栏第二电极单元202B厚度无此限
制，一般为10nm-250μm。可通过蒸镀或溅射等工艺将第一栏摩擦单元101A
和第二栏摩擦单元101B沉积在第一支撑层102上和/或将第一栏第一电极单
元201A和第二栏第一电极单元201B以及第一栏第二电极单元202A和第二
栏第二电极单元202B分别沉积在第二支撑层203的两侧。
此外，所述第一栏摩擦单元101A、第一栏第一电极单元201A及第一栏
第二电极单元202A的栏宽度对应相同，所述第二栏摩擦单元101B、第二栏
第一电极单元201B及第二栏第二电极单元202B的栏宽度对应相同，且第
一栏摩擦单元101A与第二栏摩擦单元101B、第一栏第一电极单元201A与
第二栏第一电极单元201B、第一栏第二电极单元202A与第二栏第二电极单
元202B的栏间距相同。在本实施例中，所述栏宽度为5mm-10cm。
如图3a和图3b所示，所述第一栏第一电极单元201A中的各单体连接
形成第一栏第一输出端，第一栏第二电极单元202A中的各单体连接形成第
一栏第二输出端，所述第一栏第一输出端和第一栏第二输出端通过外接电阻
30A连接，所述外接电阻30A两端的信号由电压表40A测出(如图4所示)，
成为基准信号；所述第二栏第一电极单元201B中的各单体连接形成第二栏
第一输出端，所述第二栏第二电极单元202B中的各单体连接形成第二栏第
二输出端，所述第二栏第一输出端和第二栏第二输出端通过外接电阻30B连
接，所述外接电阻30B两端的信号由电压表40B测出，称为参考信号。
例如，第一部件10为滑块，所述第一部件10在第二部件20上沿滑道
长度方向做一维滑动(其中，各单体垂直滑道长度方向排列)时，第一栏摩
擦单元101A与第二栏摩擦单元101B与摩擦层204接触摩擦，产生摩擦电
荷。随着第一栏摩擦单元101A的移动，所述第一栏摩擦单元101A上以空
间等间距分布的静电荷交替接近并驱动感应电子往复于第一栏第一电极单
元201A与第一栏第二电极单元202A之间，使基准信号输出端测试电压表
40A测出交流信号。该电信号周期反映了所述第一栏摩擦单元101A中的单
体在特定时间内错位的结构周期数量，从而反映了第一部件10相对于第二
部件20的运动速度。产生的电信号周期长度T反映了第一栏摩擦单元101A
与第一栏第一电极单元的单体从正对到错位再到正对的时间长度，已知相邻
条形电极的间距和条形电极宽度均为λ，测出的瞬时信号周期长度为T，则
相对速度
同样原理，随着第二栏摩擦单元101B的移动，所述第二栏摩擦单元102A
上以空间等间距分布的静电荷交替接近并驱动感应电子往复于第二栏第一
电极单元201B与第二栏第二电极层202B之间，使参考信号输出端测试电
压表40B测出交流信号。该信号与基准信号输出端的信号形状相同。
在本实施例中，由于第一栏摩擦单元101A与第二栏摩擦单元101B具
有四分之一的错位，参考信号的输出相对基准信号的输出具有相位差ΔT。同
一个方向滑动时，参考信号对基准信号的相位差较小(如图5a所示)；相反
方向滑动时，参考信号对基准信号的相位差较大(图5b所示)。可根据以下
条件确定滑动方向：当正向滑动；当反向滑动。
为增加所述第一部件10和/或第二部件20的机械强度，所述第一部件
10上设置有第一加固件，和/或第二部件20上设置有第二加固件。
其中，所述第一加固件和第二加固件优选由轻质刚性材料构成，可以为
聚甲基丙烯酸甲酯(亚克力，Polymeric methyl methacrylate，PMMA)、有机
玻璃材料、PE(聚乙烯，Polyethylene)板材或PVC(聚氯乙烯，Polyvinyl
chloride polymer)板材等。
此外，本发明还提供一种监测装置，所述监测装置包括多组上述运动矢
量监测单元。所述监测装置与上述运动矢量监测单元相对于现有技术所具有
的优势相同，在此不再赘述。如图8所述，本发明监测装置包括两组垂直设
置的运动矢量监测单元，用于测量二维运动矢量。
本发明还提供一种运动矢量监测方法，所述运动矢量监测方法包括：将
运动物体与第一部件和/或第二部件连接，使所述第一部件与第二部件能够相
对运动；在相对运动过程中，获取两组具有相位差的电信号；根据所述两组
具有相位差的电信号确定运动矢量的大小和方向。
以计算速度为例，根据电压表40A或电压表40B测得的交流信号，获
得信号周期T，根据公式其中λ为相邻条形电极的间距和条形电极
宽度。根据表电压表40A和表电压表40B测得的两组电信号的相位差该ΔT，
判断滑动方向：当正向滑动；当反向滑动。
下面以一个具体实施例展示本发明运动矢量监测单元的结构和工作过
程。
第一支撑层和摩擦层的材料选择厚度为25μm的聚四氟乙烯(又称特氟
龙，Polytetrafluoroethylene，PTFE)薄膜。第二支撑层选择厚度为25μm的
聚酰亚胺(Kapton)，利用激光切割机镂空刻出分别满足宽度和间距均为
500μm的单体掩膜，覆盖在聚四氟乙烯薄膜和聚酰亚胺膜上。使用物理气相
沉积的方法分别在聚四氟乙烯膜表面沉积出厚度100纳米的电极单体。同样
的方式对已蒸镀好一面的聚酰亚胺膜的背面进行蒸镀电极单体，满足第一电
极层和第二电极层在第二支撑层(聚酰亚胺膜)正反表面上有半个周期的位
错。在第二支撑层已蒸镀好的每一栏表面各用一条跨越本栏所有单体的总线
相连。这条总线可以在制作掩膜时一同制作，也可以在已做好的单体的第二
支撑层的表面做二次蒸镀。第二支撑层的各栏电极引出铜导线并通过图4的
方式连接，以测量信号输出。同时将蒸镀好的第一支撑层没有电极单体的一
面贴合在一块3毫米厚的聚甲基丙烯酸甲酯(亚克力)板材上(第一加固件)。
蒸镀好的第二支撑层(聚酰亚胺薄膜)表面覆盖一层聚四氟乙烯作为摩擦层。
将第二支撑层上未贴摩擦层的一面贴合在另一块3毫米厚的聚甲基丙烯酸甲
酯(亚克力)板材上(第二加固件)，并在此板材长边加突起的边沿，以保
证第一部件在第二部件表面只能做一维滑动。
本发明的运动矢量监测单元在进行速度传感监测时，可以通过固定第一
部件，第二部件相对第一部件发生滑动，使第二部件连接待测的运动物体进
行待测物体运动矢量的传感监测；或者固定第二部件，第一部件相对第二部
件滑动，第一部件连接到待测物体进行待测物体运动矢量的传感监测。另外，
也可以将两个部件分别固定于可以发生相对运动的两个物体上，对两个物体
的相对运动矢量进行传感监测。为了适合一维线性运动的运动矢量传感，优
选的第一部件的长度小于第二部件的长度，例如第一部件与第二部件的比例
为1:20。
在进行运动矢量的监测时，可将第二部件固定，第一部件可以被随机直
线运动驱动，例如手动推动；也可以被可控机械式驱动，例如线性马达驱动。
在进行带有方向性的往复匀速运动速度测量时，将第二部件通过第二加
固件固定，第一部件的第一加固件与线性马达相连接，由线性马达提供往复
式线性运动。第一栏第一输出端和第一栏第二输出端之间使用10兆欧的外
接电阻进行连接，第二栏第一输出端和第二栏第二输出端之间使用10兆欧
的外接电阻进行连接。将两台电压测试设备(Keithley 6514静电计)的信号
采集端分别通过导线与第一栏两输出端和第二栏两输出端相连，在不同速度
下测试其电信号波形。对正向、反向直线性运动的信号周期分别进行分析得
到具有方向的速度测量值，如图6所示：误差不超过0.3％，测试精度高。
在进行具有加速度的运动速度测量，本发明运动矢量监测单元同进行带
有方向性的往复匀速运动速度测量一致。在不同的加速度下，对信号周期分
别进行分析得到速度测量值，如图7所示：误差较小，准确度高。
本发明运动矢量监测单元还可对二维运动矢量进行测量，此时需使用两
个上述一维运动矢量监测单元联合工作：
取第一套一维运动矢量监测单元，将其第二部件通过聚甲基丙烯酸甲酯
(亚克力)板材固定。取第二套一维运动矢量监测单元，上下翻转，并与第
一套垂直摆放。将两套传感器的第一部件背面固定连接，即组装成适应二维
运动的运动矢量监测单元(图8)。针对组成二维运动矢量监测单元的每一套
一维运动矢量监测单元各需对应的一套信号测量仪器。
当进行二维运动的位移矢量测试时，在上述部件组装的基础上，控制第
二套一维运动矢量监测单元的第二部件在二维平面内做平移运动，则两套一
维运动矢量监测单元的第一部件均会相对于各自的第二部件发生相对滑动。
对两套监测单元的信号周期分别进行分析得到的合成运动。
本发明运动矢量监测单元无需外接电源，可将机械能转化为电能，输出
输表征运动矢量的电信号，准确度高；制作材料选择范围广泛，受制约小，
制备方法简单，成本低廉，安装方便；通过摩擦层的设置，可延长设备的使
用寿命。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限
于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明
的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特
征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必
要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其
不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。