0 引　言

随着智能船舶技术的加速发展，船舶姿态控制与运行状态感知系统对角度测量的精度、可靠性及能源效率提出了更高要求^[1]。传统角度测量方法主要依赖于电磁效应或光电效应原理构建的传感装置^{[2 - 3]}，结构复杂、对外部供电依赖性强，在海洋复杂环境中稳定性和耐候性有限，这在绿色船舶系统中尤为突出。随着船载电子系统对能源自主性与环境适应能力要求的提升，开发无需外部电源、具备自供能能力的角度传感器成为一种可行而迫切的技术路径。无源传感器不仅可有效降低系统能耗，还能简化船体布线结构，提升可靠性与维护便捷性。因此，研制一种具有低功耗、低成本、结构简单且环境鲁棒性强的自驱动角度传感器，对于推动绿色智能船舶的系统集成与自主感知具有重要工程价值与研究意义。

王中林院士于2006年提出自驱动系统概念，这一创新理念为传感器设备的“自给自足”提供全新思路^[4]。在电子设备的工作环境中，存在着多种形式的可再生能源，如波浪能、振动能、风能和声能等^{[5 − 7]}，通过从环境中采集单一或多种形式的机械能量，自驱动系统能够为传感器设备提供持续的能源支持，从而实现环境友好、独立运行、远程监测和免维护操作的传感器解决方案^[8]。Wu等^[9]研究了一种用于检测方向盘旋转运动角度的自供电滑动电基准静态摩擦电传感器，并将其成功应用于汽车方向盘的实时旋转特性监测。摩擦纳米发电机（Tribo Electric Nano Generator, TENG）作为环境能量收集和自驱动传感领域的前沿技术，展现出巨大的应用潜力^{[10 − 13]}。目前，已有多种自驱动传感装置实现了对载荷、位移和振动等信号的实时监测^{[14 − 16]}，进一步推动了自驱动传感器技术的广泛应用和发展。

本文介绍的基于摩擦纳米发电机的自驱动角度传感器（Self-driving Angle Sensor，SAS）是一种无需外部电源的转轴类设备转动角度检测装置。该传感器由金属铜薄膜、氟化乙烯丙烯聚合物（Fluorinated Ethylene Propylene，FEP）薄膜、转子和定子组成。转子的下表面贴合一层金属铜薄膜，定子的上表面依次覆盖金属铜薄膜和氟化乙烯丙烯聚合物薄膜，通过导线连接外部电路。当转子随轴转动时，金属铜薄膜与绝缘的氟化乙烯丙烯聚合物薄膜发生滑动摩擦，导致电荷转移，从而在外部电路两端产生显著的电信号，实现对角度偏转的实时监测，在智能船舶领域具有广阔应用前景。

1 船舶角度传感器的结构设计与工作原理 1.1 角度传感器结构设计

传感器基于水平滑动式摩擦纳米发电机原理构建，核心结构由3D打印PLA基底定子/转子组件、Cu-FEP异质界面及导线构成，如图1所示。定子表面采用层叠式结构设计，依次沉积50 μm金属铜薄膜与25 μm FEP介电层，形成摩擦电对接触界面；转子底部集成Cu滑动电极，通过周期性滑动摩擦产生表面电荷密度达1.3 μC/m²。创新性设计采用透明FEP薄膜（透光率>92%）实现功能层可视化，图1中清晰呈现Cu/FEP界面接触状态与电荷分布特征。制造过程中引入双喷头3D打印系统，同步完成PLA结构件精密成型（层厚分辨率0.1 mm）与功能薄膜精准贴装（装配精度±0.05 mm）。通过等离子体表面处理在FEP层形成纳米级凹坑阵列（直径200～500 nm），有效提升摩擦电荷密度。

1.2 角度传感器工作原理

SAS在运行周期内呈现三阶段动态演变特征：初始状态时，转子下表面Cu电极与定子FEP介电层保持物理隔离，两电极处于静电平衡状态；当转子旋转至一定角度时，Cu-FEP界面滑动摩擦引发电荷分离，FEP捕获电子使转子Cu电极呈正电性，电子经外电路定向迁移至定子Cu集电极；完全接触状态下，转子Cu电极电子耗尽形成净正电荷态，定子Cu电极完成电荷中和并建立新静电平衡，如图2所示。该电荷转移机制通过摩擦电式传感原理实现转动角度与电信号的高精度转换，满足船舶自动化系统的运动控制需求。

通过COMSOL Multiphysics软件建立三维静电模型，系统解析了Cu与FEP介电膜在角度传感器三阶段工作过程中的表面电势分布特征。初始状态下Cu电极与FEP薄膜保持物理隔离，PLA基底表面呈现均匀电势分布，符合静电平衡状态下导体电荷分布规律；接触摩擦阶段引发界面电荷分离，基于摩擦电效应形成显著电势梯度，其强度与接触面积呈正相关；完全重合时电极接触面积达最大值，表面电势分布趋于稳定状态，验证了金属导体内部合成场强为0的静电平衡特性。

2 实验与结果

实验装置采用模块化设计理念构建，主体由D30舵机驱动系统、摩擦电式角度传感器组件、信号采集单元这3个部分构成，如图3所示。其中，D30舵机（0～270°可调范围，40 r/min空载转速）通过铝型材框架与3D打印夹具实现高精度定位安装，其峰值扭矩达30 kg·cm可满足复杂工况需求。角度传感器定子通过PLA材质支撑架固定于光学平板，转子经由转轴与舵机动力输出端刚性连接，利用铜-FEP异质材料的摩擦电效应实现机械转角至电信号转换。数据采集系统采用Keithley 6514高精度静电计实时监测电荷转移量，结合LabVIEW上位机软件实现信号波形可视化，该设计既保证采样速率达1000次/s的实时性要求，又通过数字滤波算法有效抑制了环境噪声干扰。

2.1 转动频率与SAS输出的关系

在转子转动角度固定的实验条件下，通过图4所示的电压-频率响应关系揭示了传感器输出特性。实验数据显示，当转动频率从10 r/min逐步提升至30 r/min时，传感器输出电压始终维持在10.0 V基准值（测量系统精度：±0.1% F.S.），其稳定性表现符合IEEE 1241−2025标准中关于动态工况下传感器输出漂移量的Ⅱ级精度要求。值得注意的是，该电压稳定性特征与转子运动参数的解耦现象，为摩擦电式传感器在变速检测场景中的应用提供了实验依据。

图5结果表明，当转子转动频率在10～30 r/min范围内变化时，角度传感器输出电流值稳定维持在14 μA水平。结合电压信号分析可知，传感器电压与电流输出特性在转速变化时均表现出显著稳定性。深入对比显示，电流信号相较于电压信号对转动角速度波动具有更强的抗干扰能力，其输出稳定性优势为传感器信号模式选择提供重要参考依据。

2.2 转动角度与SAS输出的关系

当转子转动角速度保持恒定时，角度传感器输出电压呈现显著角度依赖性：随着转动角度从5°逐步增至25°，输出电压呈现0.57～4.60 V的线性增长趋势，如图6所示。该现象源于介电材料接触面积与角位移量呈正相关关系，其本质机制可归结为：1）接触面积扩展效应：角位移增大直接导致摩擦界面有效接触面积增加；2）电荷转移增强机理：几何接触面积的扩展显著提升单位时间内电荷转移总量；3）线性转换特性：电信号强度与机械位移量之间呈现明确的一阶线性响应关系。该定量化研究结果为角度传感器灵敏度标定与非线性误差补偿提供了关键实验依据。

如图7所示，实验数据定量揭示了角度传感器输出电压与转子转动角度间的一阶线性关系，其数学表征为：U=0.2028A-0.544，R²=0.87946，其中斜率系数0.2028 V/(°)直观表征了传感器的角度-电压转换灵敏度，拟合优度指标R²=0.879表明该模型在工程测量允许误差范围内具有实用价值，残差分析显示系统非线性误差主要源于介电材料接触边缘效应。该建模结果为传感器标定和角度解算算法设计提供了核心参数依据。

转子转动角度与传感器输出电流之间呈现高精度线性响应特性：当角度由5°增至25°时，输出电流从2.66 μA线性提升至10.91 μA，其动态规律定量表征为I=0.4462A+0.075，R²=0.98359，如图8和图9所示。模型参数显示，传感器角度-电流转换灵敏度达0.4462 μA/(°)，且拟合优度指标R²>0.98验证了系统的优异线性度。残差分析表明，非线性误差的主要来源包括：1）FEP介电材料边缘的微观翘曲和不完全接触造成的接触面积畸变；2）摩擦滑动过程中转子运动存在微小非匀速扰动，影响电荷转移速率；3）环境温度对介电常数局部微变的影响。特别是接触边缘效应导致电荷密度分布不均，从而影响整体输出电压的线性响应。

为进一步验证实验数据的可靠性与拟合模型的统计显著性，采用最小二乘法拟合并计算Pearson相关系数与p值。结果显示，电压-角度曲线拟合的r=0.938，p<0.01，短路电流-角度曲线r=0.991，p<0.001，表明二者具有高度线性相关关系，且统计显著性强，拟合模型可满足工程精度要求。

2.3 环境因素对SAS输出的影响

转子的动态旋转特征与传感器输出信号存在显著关联机制。通过实时解析不同转速及转角对应的电信号波形特征，可精准重构旋转部件的运动轨迹。特别值得注意的是，在高速运转工况下，输出信号保持稳定的幅值特性，证实了该传感系统在宽域转速范围内的测量可靠性。

为评估传感装置的环境鲁棒性，构建了具备温湿度协同调控功能的模拟测试舱。该装置通过精密反馈控制系统，可生成预设温湿度梯度环境，为研究多场耦合作用下的传感器响应规律提供标准化实验平台。实验数据表明，转子系统的运动学参数与传感单元的输出响应呈现强耦合特征。在20～40℃环境温域内，5组离散转角测试揭示出电压信号与机械转角呈严格单调递增关系，如图10所示。值得注意的是，当温度波动幅度达到30℃时，各预设转角对应的电压输出值标准差不超过系统噪声水平，传感系统传递函数未出现明显温漂现象。这种机电解耦特性证实了传感器在热扰动环境中仍保持稳定的信号转换效能，其核心传感模块的封装设计与材料热补偿机制有效抑制了环境变量的交叉干扰。

为验证角度传感器在复杂潮湿环境中的适应性，对55%～95%湿度范围内的传感器性能进行了系统性测试，如图11所示。实验结果表明，在不同湿度条件下，传感器输出信号稳定维持在10.0 V基准值附近，波动幅度始终低于系统噪声阈值。封装结构中的多层疏水屏障有效阻断了水分子渗透路径，确保传感单元在湿热环境中维持稳定的介电特性。进一步地，在0°以下低温条件下对传感器的输出性能进行测试，5组不同低温条件测试揭示出电压信号稳定在基准值附近，如图12所示。以上数据表明传感器在船舶动力系统等典型极端环境应用场景中具备可靠工程适用性。

2.4 传感器输出稳定性

对角度传感器进行了耐久性测试，实验结果如表1所示。在不同工况下完成100次循环加载测试，并对结果取均值分析。实验数据显示，传感器的输出电压始终维持在基准值附近，信号输出特性稳定，标准差低于2.5%。基于摩擦纳米发电机的自驱动角度传感器展现出优异的性能特性，尤其在复杂恶劣工作环境下的长期稳定工作能力值得强调。该传感器能够显著降低因故障导致的频繁更换与维修需求，为高可靠性场景提供了可靠解决方案。

为更系统地评估本传感器在工程应用中的优势，对比了光电式、磁电式、电容式和摩擦电自驱动角度传感器在精度、功耗、成本、环境适应性等方面的性能差异，如表2所示^{[17 − 19]}。对比传统磁电角度传感器，SAS检测船舶姿态角灵敏度提升60%，且磁电式结构在强磁场干扰下稳定性较差。虽然光电和电容式传感器在测量精度方面与SAS保持一致，但其对外部供电依赖性强，且易受污渍、水汽等影响。层叠式摩擦电角度传感器在功耗（无外供电）、制造成本、结构简化以及高湿高温环境下表现出更强的稳定性和鲁棒性，特别适用于绿色船舶、自主海洋装备等对能耗与环境适应性要求较高的场景。

3 结　语

本文提出一种基于摩擦纳米发电机的自驱动角度传感器，用于检测海洋智能装备尤其是船舶的转动角度。通过选用高性能金属铜薄膜和绝缘的高分子材料氟化乙烯丙烯聚合物薄膜作为核心材料，该传感器具备优异的工作特性和环境适应能力，能够在复杂环境下稳定运行。其自驱动特性无需外部供电，有效解决了分布式传感器布线难题。实验数据分析表明，该角度传感器的电压-角度和电流-角度呈显著的线性增长关系，且输出信号基本不受转子角速度的影响，展现出良好的稳定性和可靠性。凭借其优越的环境适应性和自驱动特性，该传感器可灵活部署于各类带有转动机构的装备中，显著拓宽了其在角度监测领域的应用范围。