CN104578669A - 基于弹性部件的电信号输出装置、定位装置以及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于弹性部件的电信号输出装置、定位装置以及定位方法。本发明结合不稳定的具有自平衡能力的弹性部件和纳米材料构建出电信号输出装置，实现低频率范围的宽带振动能量采集，以及振动源的探测与定位。位于平衡态的临界状态的弹性部件具有对外界扰动极其敏感的特性，该结构可以在平衡点附近振荡并自动恢复平衡，在外界一个微弱的振动扰动下，该力学结构可以拾取该振动能量，使电信号输出装置中不同摩擦电材料发生周期性的接触分离变化，从而产生电输出。本发明具有成本低、便携和结构简单等特点。

Description

基于弹性部件的电信号输出装置、定位装置以及定位方法

技术领域

本发明涉及一种电信号输出装置，特别涉及一种对振动极为敏感的、基于弹性部件的电信号输出装置，以及基于该电信号输出装置的定位装置和利用该定位装置进行定位的方法。

背景技术

振动是生活环境中常见的机械现象，例如引擎的振动、桥梁建筑的振动，飞机的摆动以及海浪的起伏等。在很多情况下，为了稳定结构和减少噪音，我们需要使用反振动的技术，因此对于振动源进行灵敏地探测和精确定位具有很重要的意义。另外一方面，振动也是一种能量。能量采集器是将环境中的能量转换为电能，研究者们从以下各个方面已经展开过各种相应的工作，包括研究不同的换能方式，如压电式、静电式、电磁式，并提出了相应的结构，如中国发明专利CN1877973A、CN101075773A、CN1652440A、CN1547312A。但是由于环境中的振动能量一般都比较微弱，并且频率主要位于较低的频率范围，同时具有较宽的频率分布范围，因此将目前的纳米发电机用于环境中机械振动的探测和能量收集时，有感测灵敏度较低和能量转换效率不高的缺陷。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明的目的在于利用具有自平衡能力且处于临界平衡状的机械结构，制备一种新型的电信号输出装置，以及基于该电信号输出装置的定位装置、振源定位方法和振动监测方法。

本发明首先提供一种基于弹性部件的电信号输出装置，包括：支撑部件、固定在所述支撑部件内部的弹性部件、与所述弹性部件自由端相对固定的第一摩擦部件和与所述第一摩擦部件面对面放置的第二摩擦部件，其特征在于：所述第一摩擦部件的下表面为第一摩擦表面，所述第二摩擦部件的上表面为第二摩擦表面，两个摩擦表面相对，并且二者由具有不同摩擦电极序的材料制备；所述第一摩擦部件的上表面为第一导电表面，所述第二摩擦部件的下表面为第二导电表面，两个所述导电表面分别与电信号输出端的两端电连接；

优选地，所述第一摩擦表面和第二摩擦表面在平衡状态下刚好接触；

优选地，所述第一摩擦表面和第二摩擦表面选自绝缘材料、半导体材料和导电材料；

优选地，所述第一摩擦表面为导电材料，并且所述第一摩擦表面与第一导电表面合二为一；或者，所述第二摩擦表面为导电材料，并且所述第二摩擦表面与第二导电表面合二为一；

优选地，所述第一摩擦表面，和/或，所述第二摩擦表面上，全部或部分分布有微米或次微米量级的微结构；

优选地，所述微结构选自纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由前述结构形成的阵列；

优选地，所述第一导电表面和第二导电表面相同或不同，并且均选自金属或导电氧化物；

优选地，所述弹性部件具有螺旋结构；

优选地，所述弹性部件选自等直径弹簧、直径渐变的锥形弹簧和直径不规则变化的异型弹簧；

优选地，所述弹性部件的杨氏模量为1-4GPa，泊松比为0.3-0.9；

优选地，所述弹性部件通过顶部悬挂的方式固定在所述支撑部件的顶面；

优选地，所述弹性部件通过底部自持的方式固定在所述支撑部件的底面；

优选地，所述弹性部件与所述支撑部件之间紧密固定；

优选地，所述弹性部件在所述支撑部件的支撑表面上直接制备；

优选地，在所述第一摩擦部件和所述弹性部件之间还包括绝缘质量块，并且该绝缘质量块与所述第一导电表面紧密贴合；

优选地，所述支撑部件为一体化结构；

优选地，所述支撑部件为全封闭结构，更优选通过一体成型工艺制备；

优选地，所述支撑部件为柱形、锥形、锥台或球形。

本发明还提供一种定位装置，用于对外界振动的振源进行定位，具体包括：2个以上前述任一种电信号输出装置，电信号记录和分析装置，其中所述电信号记录和分析装置能够记录电信号本身的数值以及电信号产生的时间；

优选地，所述电信号输出装置中的支撑部件为底面为平面结构的柱形；

优选地，所述弹性部件以顶部悬挂的方式固定在所述支撑部件的内部；

优选地，所述电信号输出装置的数量为3个。

本发明还提供一种基于上述定位装置的三点定位方法，其中需要3个所述电信号输出装置，其特征在于包括如下步骤：

（1）将标记为STENG1、STENG2和STENG3的3个电信号输出装置分别固定在振动传导表面的不同位置；

（2）采用多通道电信号记录和分析装置同时记录3个电信号输出装置的输出信号；

（3）所述电信号记录和分析装置以3个电信号输出装置的中间位置作为坐标原点建立平面坐标系，使得3个电信号输出装置分别置于该坐标系的不同象限；

（4）向所述电信号记录和分析装置分析中输入STENG1与STENG2的间距l以及STENG1与STENG3的间距h；

（5）根据3个电信号输出装置产生电信号的时间差异，初步确定振源所处的象限；

（6）根据振源所处象限给出初值，利用下面的方程组进行迭代计算振源位置；

$\left\{\begin{array}{c}\frac{x^2}{{\left(\frac{D_1}{2}\right)}^2}-\frac{{(y+\frac{h}{2})}^2}{{\left(\frac{l}{2}\right)}^2-{\left(\frac{D_1}{2}\right)}^2}=1\\ \frac{y^2}{{\left(\frac{D_2}{2}\right)}^2}-\frac{{(x-\frac{l}{2})}^2}{{\left(\frac{h}{2}\right)}^2-{\left(\frac{D_2}{2}\right)}^2}=1\end{array}\right.$

上述方程组中x和y分别为振源在步骤（3）所确立的坐标系中的横坐标和纵坐标，D₁为振源到STENG1和STENG2的距离差，D₂为振源到STENG1和STENG3的距离差。

与现有技术相比，本发明的电信号输出装置具有下列优点：

1）对振动感测的敏感度极高。本发明的电信号输出装置中使用的弹性部件，是一个位于临界状态的力学结构，其不稳定的特性使得它对于外界的振动特别敏感，尤其适用于微弱振动能量的监测和采集。同时该结构具有自平衡的特性，使得电信号输出装置在受到外界扰动后能够通过在平衡点附近的弛豫运动自动恢复到平衡状态。该过程可以充分将环境中微弱振动能量转换为电能，提高装置的转换效率，扩展其应用范围。

2）对振动的响应频率可调可控。本发明的电信号输出装置通过选择不同的材料构建弹性部件以及调整摩擦部件和质量块的质量，能够实现不同的弹性和频率响应范围，从而实现对振动响应频率的调控。

3）较高的电能转换效率。本发明将纳米材料融合在装置中，利用纳米材料提高摩擦面的有效接触面积，增进摩擦效率，使装置具有很好的机械能到电能的转换效率。

4）结构简单、集成性好，具有更为广泛的应用前景。本发明的电信号输出装置可以集成在不同的支持结构中，例如多面体、球形和椭球形等，以满足不同应用环境的需求。而且带有支持结构的整体构造易于携带，具有更多的应用灵活性。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1中A-E为本发明电信号输出装置工作原理示意图；

图2为本发明悬挂式电信号输出装置的一种典型结构示意图；

图3为本发明悬挂式电信号输出装置的另一种典型结构示意图；

图4为本发明自持式电信号输出装置的一种典型结构示意图；

图5为螺旋弹性部件的二维刻蚀图案；

图6为螺旋弹性部件外观示意图；

图7为本发明悬挂式电信号输出装置的另一种典型结构示意图；

图8中（a）和（b）为使用不同支撑部件的电信号输出装置对相同振动的响应信号图；

图9中（a）-（e）为本发明定位装置的工作示意图；

图10中（a）-（e）为本发明定位方法的工作示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。其次，本发明结合示意图进行详细描述，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。并且在实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明。

为了克服现有技术中摩擦发电机对振动能收集效率较低的缺陷，本发明设计并制备了一种新型的电信号输出装置，主要包括：支撑部件、固定在支撑部件内部的弹性部件、与弹性部件自由端相对固定的第一摩擦部件和与第一摩擦部件面对面放置的第二摩擦部件，其中第一摩擦部件的下表面为第一摩擦表面，第二摩擦部件的上表面为第二摩擦表面，这两个摩擦表面由具有不同摩擦电极序的材料制备；在平衡状态时，两个摩擦表面刚好面对面接触；第一摩擦部件的上表面为第一导电表面，第二摩擦部件的下表面为第二导电表面，两个导电表面分别与电信号输出端的两端电连接。当电信号输出装置受到振动扰动时，弹性部件的平衡状态被破坏，发生受迫振动，从而带动第一摩擦部件在平衡位置附近上下移动，导致第一摩擦表面与第二摩擦表面发生周期性的接触和分离，该过程能够通过两个导电表面向外电路输出电信号，具体原理如图1中A-E所示：

图1中A、在没有外力的初始状态下，第一摩擦部件10固定在弹性部件30的自由端，在平衡时第一摩擦部件10与第二摩擦部件20恰好接触。

图1中B、当附近的振源发生振动时，弹性部件30的平衡状态被破坏，发生受迫振动，从而带动第一摩擦部件10向第二摩擦部件20运动，使第一摩擦表面101与第二摩擦表面201之间的接触更为紧密，二者表面的微结构发生摩擦，由于这两个表面分别由具有不同摩擦电极序的材料形成，因此在摩擦的过程中发生表面电荷转移，形成一层表面接触电荷。

图1中C、当第一摩擦部件10在弹性部件30的带动下向平衡点返回时，第一摩擦表面101与第二摩擦表面201开始分离，此时第一摩擦部件具有净剩正电荷，而第二摩擦部件具有净剩负电荷，因此在第一导电表面102和第二导电表面202之间产生了电势差。为平衡该电势差，电子通过外接导线由第二导电表面202流入第一导电表面102，从而在外电路产生一个瞬时电流。

图1中D、当第一摩擦部件10和第二摩擦部件20的分离距离达到最大时，第一导电表面102和第二导电表面202之间的感应电荷达到平衡，二者之间没有电势差，在外电路也就没有电流产生。

图1中E、当弹性部件30由最大压缩位置向平衡位置移动时，由于第一导电表面102与第二摩擦表面201的间距变小，第二摩擦表面201上的正电荷对第一导电表面102中正电荷的排斥作用增强，同时第一摩擦表面10上的负电荷对第二导电表面202中正电荷的吸引作用也增强，由此导致第一导电表面102和第二导电表面202之间产生与之前方向相反的电势差。为进一步平衡该电势差，电子通过外电路由第一导电表面102流入第二导电表面202，从而在外电路产生与第一次方向相反的瞬时电流。

因为弹性部件30受到扰动后，需要经过在平衡点附近的多次振幅减小的振动后才能恢复平衡状态。因此，上述图1中B-E的过程就会重复发生，从而向外电路输出脉冲交流电信号。

本发明中所述的“摩擦电极序”，是指根据材料对电荷的吸引程度将其进行的排序，两种材料在相互接触的瞬间，在接触面上负电荷从摩擦电极序中极性较正的材料表面转移至摩擦电极序中极性较负的材料表面。迄今为止，还没有一种统一的理论能够完整的解释电荷转移的机制，一般认为，这种电荷转移和材料的表面功函数相关，通过电子或者离子在接触面上的转移而实现电荷转移。需要说明的是，摩擦电极序只是一种基于经验的统计结果，即两种材料在该序列中相差越远，接触后所产生电荷的正负性和该序列相符合的几率就越大，而且实际的结果受到多种因素的影响，比如材料表面粗糙度、环境湿度和是否有相对摩擦等。

基于上述电信号输出装置，本发明还提供一种定位装置，能够通过2个以上电信号输出装置的配合来对振源位置进行定位，并且提供了相应的定位方法和对振源振动特性进行监测的方法，从而完成了从电信号输出装置的结构到应用的全过程设计。以下将通过具体实施例对本发明的电信号输出装置、定位装置和定位方法做详细的说明。

实施例一电信号输出装置

图2为本发明电信号输出装置的一种典型结构。包括：支撑部件40、悬挂在支撑部件40内部上表面的弹性部件30、与弹性部件30自由端相对固定的第一摩擦部件10和与第一摩擦部件面对面放置的第二摩擦部件20，其中第一摩擦部件10的下表面为第一摩擦表面101，第二摩擦部件20的上表面为第二摩擦表面201，两个摩擦表面相对，并且二者由具有不同摩擦电极序的材料制备；第一摩擦部件10的上表面为第一导电表面102，第二摩擦部件20的下表面为第二导电表面202，两个导电表面分别与电信号输出端50的两端电连接。通过本发明上面提供的工作原理，本领域的技术人员能够清楚地认识到本发明电信号输出装置的工作方式，从而能够了解各部件材料的选择原则。以下将结合实施例一对电信号输出装置的结构、各部件材料的可选择范围等做详细说明，为本领域的技术人员提供在实际应用中的调控原则，从而达到能够根据需要来调控电信号输出装置输出性能的目的。虽然以下说明是结合实施例一做出的，但是对于本发明的其他技术方案也同样适用，因此为了整个文件的简洁，如果没有特殊说明，其他技术方案中的部件结构变形和选材范围均与实施例一相同。

第一摩擦部件10和第二摩擦部件20是电信号产生和输出的主要组件，二者均包含摩擦表面和导电表面。其中，第一摩擦表面101和第二摩擦表面201的材料具有不同的摩擦电极序，并可选自绝缘材料、半导体材料和导电材料。其中常用的绝缘材料包括：聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、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、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林。

常用的半导体包括硅、锗；第Ⅲ和第Ⅴ族化合物，例如砷化镓、磷化镓等；第Ⅱ和第Ⅵ族化合物，例如硫化镉、硫化锌等；以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体，例如镓铝砷、镓砷磷等。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物也具有摩擦电特性，能够在摩擦过程形成表面电荷，因此也可以用来作为本发明的摩擦材料，例如锰、铬、铁、铜的氧化物，还包括氧化硅、氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、BiO2和Y2O3。

常用的导体包括金属、某些氧化物、掺杂的半导体和导电有机物，其中金属包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；氧化物常见的是氧化铟锡ITO；导电有机物一般为导电高分子，包括自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。

根据本发明，第一摩擦表面101和第二摩擦表面201优选具有对电子束缚能力差别较大的材料，以获得更好的输出效果。具有负极性摩擦电极序的材料优选为聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯和派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF4；具有正极性的摩擦电极序材料优选苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、铜、铝、金、银、铂和钢。

上述摩擦表面可以进行物理改性，使第一摩擦表面101，和/或，第二摩擦表面201上，全部或部分分布有微米或次微米量级的微结构，以增加第一摩擦表面101与第二摩擦表面201之间的接触面积和摩擦效果，从而增大表面电荷密度。具体的改性方法包括光刻蚀、化学刻蚀和离子体刻蚀等。也可以通过纳米材料的点缀或涂层的方式来实现该目的。所述微结构选自纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由前述结构形成的阵列。

也可以对摩擦表面进行化学改性，能够进一步提高电荷在接触瞬间的转移量，从而提高接触电荷密度和发电机的输出功率。例如在极性相对为正的摩擦表面引入更易失电子的官能团（即强给电子团），或者在极性相对为负的摩擦表面引入更易得电子的官能团（强吸电子团）；或者在极性相对为正的摩擦表面引入正电荷，而在极性相对为负的摩擦表面引入负电荷，具体可以通过化学键合的方式实现。

平衡状态下，第一部件10和第二部件20之间可以形成一定的间距，也可以刚好接触，间距的不同会导致整个发电装置对振动感知的灵敏度不同。如果在平衡状态下第一部件10和第二部件20恰好刚刚接触，那么只要外界有微弱的振动激励，就会导致第一部件10和第二部件20发生更为紧密的接触，使得两个接触表面上的微结构之间发生摩擦，形成表面电荷，并且在第一部件10和第二部件20分离后形成电信号向外电路输出。如果在平衡状态下，第一部件10和第二部件20之间间隔一定的距离，则外界振动激励的强度必须足够大到使第一部件10上下移动的振幅超过该间距时，电信号输出装置才会有电信号产生和输出。因此，控制第一部件10和第二部件20在平衡状态下的间距，也是调整整个装置灵敏度的一个手段。

第一导电表面102和第二导电表面202均由导电材料制备，二者可以相同，也可以不同，均选自金属或导电氧化物，常用的金属包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金，更优选为金属薄膜，例如铝膜、金膜、铜膜等；常用的导电氧化物包括氧化铟锡ITO、离子掺杂型的半导体和导电有机物。导电表面最好与相应的摩擦表面紧密接触，以保证电荷的传输效率，可以将摩擦表面和相应的导电表面通过导电胶带或导电浆体（如银浆）粘结在一起，或者通过旋涂的方式在导电表面上制备摩擦表面，以实现二者的紧密接触。更为优选的方式是将导电材料通过沉积的方式在相应的摩擦表面形成薄膜，薄膜厚度可以为50nm-500μm，优选为100nm-500nm；具体的沉积方法可以为电子束蒸发、等离子体溅射、磁控溅射或蒸镀，优选为磁控溅射或等离子体溅射。

当第一摩擦表面101或者第二摩擦表面201为导体材料时，可以与第一导电表面102或第二导电表面202合二为一，即整个第一部件10或第二部件20为均一不分层的导电材料。例如图3所示的实施方式中，第一部件10由一个整体的导电材料制备，其下表面即为第一摩擦表面，其上表面即为第一导电表面。这种实施方式便于加工，并且导电材料与绝缘材料的摩擦电极序相差较大，由此制备的装置电信号输出性能更好。

弹性部件30的作用是对振动进行监测和收集振动能量，并带动第一摩擦部件10与第二摩擦部件20发生周期性的接触和分离，以将振动能量转化为电信号输出。常规的弹性部件均能实现该功能，例如弹簧、橡皮筋等。但是为了提高整个装置的灵敏度，本发明优选使用具有螺旋结构的弹性部件，例如各种弹簧，包括等直径弹簧（参见图3和图4）、直径渐变的锥形弹簧（参见图2）和直径不规则变化的异型弹簧等。

弹性部件30的性质，特别是弹性对电信号输出装置的灵敏度和工作频率有重要的影响。一般而言，弹性部件30的弹性越好，器件响应频率越高，反之响应频率越低。本发明优选弹性部件30的杨氏模量为1–4GPa，优选1-3GPa，更优选2GPa；泊松比为0.3–0.9，优选0.3–0.8，更优选0.4-0.6。

弹性部件30可以通过悬挂的方式固定在支撑部件40的内部，即弹性部件30通过顶部固定在支撑部件40的顶面，而底部为自由端，如图2和图3所示；也可以通过底部自持的方式固定在支撑部件40的底面，即弹性部件30的底部固定在支撑部件40的下表面之上，而顶部为自由端，参见图4。

无论使用上述哪种方式固定，为了保证整个装置对环境振动的灵敏度，都需要弹性部件30与支撑部件40之间紧密固定，以使支撑部件40在将环境振动传递给弹性部件30的过程中尽量减少能量损耗。固定的方式有很多种，例如胶粘、固定件连接等。本发明还提供一种在支撑部件40的支撑表面上直接制备直径渐变的螺旋弹性结构的方法：首先在一个聚丙烯薄膜上用激光刻蚀机在表面刻蚀如图5所示的二维螺旋结构图形，在刻蚀结束后去除中间被线条包围的封闭部分，通过自身重量使剩余结构从平面释放出来，得到所需的直径渐变的三维螺旋结构（参见图6）。通过这种方式制备的弹性部件不仅与支撑部件40之间的固定良好，而且弹性部件30的螺纹粗细和间距都可以根据实际需求进行调整。

由于弹性部件30的自由端与第一摩擦部件10相对固定，因此当弹性部件30受到外界激励而发生振动时，第一摩擦部件10的重量对整个装置的谐振频率是有影响的。在弹簧尺寸等参数都确定条件下，第一摩擦部件10的质量和整个装置谐振频率ω满足如下关系：，k和m分别是弹簧劲度系数和第一摩擦部件10的质量。可见，第一摩擦部件10的质量越重，响应频率越低，反之越高。

但是，一般而言第一摩擦部件10的质量都不是很大，而且可调节度比较小。因此，为了使本发明的电信号输出装置能够适应更为广泛的需要，可调节度也更大，还可以在第一摩擦部件10和弹性部件30之间设置一个绝缘质量块60，这样就可以通过调节绝缘质量块60的质量，来对整个电信号输出装置的输出频率进行控制（参见图7）。为了使第一摩擦部件10与弹性部件30的自由端能够实现相对固定，优选该绝缘质量块60的下表面与第一导电表面102紧密贴合。

支撑部件40有两个重要作用，一是给弹性部件30提供固定表面，二是将环境的振动能量传递给弹性部件30，从而使整个装置能够正常工作，并且具有良好的振动敏感度。为了能够实现该目的，本发明优选结构一体化的支撑部件。本发明的“一体化”并不限定整个支撑部件是通过一体成型的工艺制备，而是在组成整个电信号输出装置后，该支撑部件40的各部分是紧密固定在一起、在运动中没有相对位移的。而通过一体成型的方式来加工，则是比较优选的方式。对于不能一体成型的组件，优选通过粘合或紧固件连接的方式与其他组件共同形成所需的支撑部件40。

支撑部件40可以为全密封的、也可以为开放式的，优选为全密封结构。其整体可以为柱形、锥形、锥台或球形，其中柱形优选直棱柱，例如四棱柱、六棱柱、八棱柱等。图2所示为四棱柱形的支撑部件40，这种形式的支撑部件具有与振源表面接触面积达，感测灵敏，容易加工等优点；图3所示为球形的支撑部件40，这种形式的支撑部件更适合在液体环境中实现对振动能量的收集。本发明人对比了使用开放式和全封闭式支撑部件40时，电信号输出装置的性能差别，参见图8中（a）和（b）。其中，图8中（a）是使用开放式支撑部件40时，电信号输出装置对振动的响应信号图，该支撑部件40是由底板、顶板和四根立柱搭建而成，立柱与顶板和底板之间通过胶粘固定，在这种情况下得到的电信号数值相对较小。而当采用如图6所示的长方体形全封闭支撑部件40后，对于相同的振动，电信号输出装置的响应信号明显增强。因此，本发明更为优选的是全封闭式一体化支撑部件，尤其是通过一体成型工艺制备的结构，对振动的响应性能更好。

电信号输出端50的两端分别与第一导电表面102和第二导电表面202电连接，用于将第一摩擦部件10和第二摩擦部件20通过接触-分离式摩擦所产生的电信号外输出。该电信号输出端50可以与蓄能装置相连，那么整个电信号输出装置就相当于一个发电机，将环境的机械能转化为电能用于存储和使用；同时，该电信号输出端50还可以与电信号记录装置相连，例如电压或电流测量装置，甚至还可以连接信号分析元件，那么整个电信号输出装置就相当于一个传感器，能够将环境中产生的机械能转化为电信号以便于监测。

实施例二：定位装置

本发明利用前述的电信号输出装置，组合而成能够对外界振动进行定位的定位装置，具体包括：2个以上前述任一种电信号输出装置，电信号记录和分析装置，其中所述电信号记录和分析装置能够记录电信号本身的数值以及电信号产生的时间。该定位装置通过分析各电信号输出装置的相对位置、产生电信号的时间差和振动传播速度，能够确定出振源与各电信号输出装置的相对位置，从而实现定位功能。其依据的原理是在振动传导表面介质材料均一的前提下，振动向各方向扩散传导的速度是相同的，因此电信号输出装置产生电信号的时间差与振源距离电信号输出装置的相对远近就呈正相关。那么通过标定的电信号时间差-振源位置的工作曲线，就可以对振源进行定位。

电信号输出装置的数量一般为2个及以上。

为了使定位装置的灵敏度更高，优选每个电信号输出装置与振动传播表面之间有较大的接触面积，因此底面为平面结构的柱形支撑部件40更为合适。

虽然弹性部件30在支撑部件40内部以悬挂或自持的方式安装的电信号输出装置均可以用于本发明的定位装置，但是更为优选的是弹性部件30以悬挂的方式固定在支撑部件40内部的电信号输出装置。

图9中（a）-（e）为一个具体定位装置的工作示意图。本定位装置包含2个电信号输出装置，分别放置在振动传导表面的两端，在二者之间设5个实验点，在实验点的位置上通过锤子敲击来模拟振源，同时通过双通道信号记录和分析装置对两个电信号输出装置的输出信号进行记录和分析（参见图9中（a））。图9中（b）和图9中（c）分别为在位置1和位置3模拟振源时，所记录的输出信号，而图9中（d）和图9中（e）则分别是对这两个电信号的局部放大。可以看出，当振源处在位置1时，由于该位置距离1号电信号输出装置（标记为STENG1）较近，所以STENG1对振动的感知较早，相对于STENG2而言，STENG1输出电信号的时间较早而且强度较大。而当振源处在中间位置3时，由于该位置与2个电信号输出装置的距离基本相同，因此STENG1和STENG2产生电信号的时间和强度都基本一致。

实施例三：三点定位法

本发明还提供一种使用实施例二所述的定位装置进行定位的方法，其中定位装置需要有3个电信号输出装置。该方法包括如下步骤：

（1）将标记为STENG1、STENG2和STENG3的3个电信号输出装置分别固定在振动传导表面的不同位置；

（2）采用多通道电信号记录和分析装置同时记录3个电信号输出装置的输出信号；

（3）所述电信号记录和分析装置以3个电信号输出装置的中间位置作为坐标原点建立平面坐标系，使得3个电信号输出装置分别置于该坐标系的不同象限；

（4）向所述电信号记录和分析装置分析中输入STENG1与STENG2的间距l以及STENG1与STENG3的间距h；

（5）根据3个电信号输出装置产生电信号的时间差异，初步确定振源所处的象限；

（6）根据振源所处象限给出初值，利用下面的方程组进行迭代计算振源位置；

$\left\{\begin{array}{c}\frac{x^2}{{\left(\frac{D_1}{2}\right)}^2}-\frac{{(y+\frac{h}{2})}^2}{{\left(\frac{l}{2}\right)}^2-{\left(\frac{D_1}{2}\right)}^2}=1\\ \frac{y^2}{{\left(\frac{D_2}{2}\right)}^2}-\frac{{(x-\frac{l}{2})}^2}{{\left(\frac{h}{2}\right)}^2-{\left(\frac{D_2}{2}\right)}^2}=1\end{array}\right.$

上述方程组中x和y分别为振源在步骤（3）所确立的坐标系中的横坐标和纵坐标，D₁为振源到STENG1和STENG2的距离差，D₂为振源到STENG1和STENG3的距离差。

图10中（a）-（e）为该方法的工作示意图，在一块矩形木板的3个角处放置3个电信号输出装置，分别标记STENG1、STENG2和STENG3（参见图10中（a）），以3个电信号输出装置的中心为坐标原点，构建关于平面x-y轴的4个象限，如x正轴和y正轴所包含平面为第一象限，x负轴和y正轴所包含平面为第二象限，x负轴和y负轴所包含平面为第三象限，x正轴和y负轴所包含平面为第四象限（参见图10中（d））。首先通过互相关信号处理方法获得3个电信号输出装置两两间产生电信号的时间差关系，比如，STENG1和STENG2时间差为负，STENG2和STENG3时间差也为负，则根据传感器位置关系可确定振动源在第2象限，以此类推，确定这一象限后，就减小了传统方法需要在迭代整个平面运算的工作量。图10中（b）和图10中（c）显示了在位置7处施加振动源后，3个电信号输出装置输出的电信号记录图，可以看出，由于该位置距离STENG2最近，因此STENG2的电信号产生最早，强度也最大，而STENG1和STENG3电信号产生的时间则相差不多，强度也基本一致。

该方法充分利用了电信号输出装置的特点，能够在没有外加电源的情况下实现对振动信号的监测。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (23)

1.一种基于弹性部件的电信号输出装置，包括：支撑部件、固定在所述支撑部件内部的弹性部件、与所述弹性部件自由端相对固定的第一摩擦部件和与所述第一摩擦部件面对面放置的第二摩擦部件，其特征在于：所述第一摩擦部件的下表面为第一摩擦表面，所述第二摩擦部件的上表面为第二摩擦表面，两个摩擦表面相对，并且二者由具有不同摩擦电极序的材料制备；所述第一摩擦部件的上表面为第一导电表面，所述第二摩擦部件的下表面为第二导电表面，两个所述导电表面分别与电信号输出端的两端电连接。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一摩擦表面和第二摩擦表面在平衡状态下刚好接触。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第一摩擦表面和第二摩擦表面选自绝缘材料、半导体材料和导电材料。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一摩擦表面为导电材料，并且所述第一摩擦表面与第一导电表面合二为一；或者，所述第二摩擦表面为导电材料，并且所述第二摩擦表面与第二导电表面合二为一。

5.如权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于，所述第一摩擦表面，和/或，所述第二摩擦表面上，全部或部分分布有微米或次微米量级的微结构。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述微结构选自纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由前述结构形成的阵列。

7.如权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，所述第一导电表面和第二导电表面相同或不同，并且均选自金属或导电氧化物。

8.如权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于，所述弹性部件具有螺旋结构。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述弹性部件选自等直径弹簧、直径渐变的锥形弹簧和直径不规则变化的异型弹簧。

10.如权利要求1-9任一项所述的装置，其特征在于，所述弹性部件的杨氏模量为1-4GPa，泊松比为0.3-0.9。

11.如权利要求1-10任一项所述的装置，其特征在于，所述弹性部件通过顶部悬挂的方式固定在所述支撑部件的顶面。

12.如权利要求1-10任一项所述的装置，其特征在于，所述弹性部件通过底部自持的方式固定在所述支撑部件的底面。

13.如权利要求1-12任一项所述的装置，其特征在于，所述弹性部件与所述支撑部件之间紧密固定。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述弹性部件在所述支撑部件的支撑表面上直接制备。

15.如权利要求1-14任一项所述的装置，其特征在于，在所述第一摩擦部件和所述弹性部件之间还包括绝缘质量块，并且该绝缘质量块与所述第一导电表面紧密贴合。

16.如权利要求1-15任一项所述的装置，其特征在于，所述支撑部件为一体化结构。

17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述支撑部件为全封闭结构。

18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述支撑部件为柱形、锥形、锥台或球形。

19.一种用于对振动振源进行定位的定位装置，其特征在于包括：2个以上权利要求1-18任一项所述的电信号输出装置，以及电信号记录和分析装置，所述电信号记录和分析装置能够记录电信号本身的数值以及电信号产生的时间。

20.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述电信号输出装置中的支撑部件为底面为平面结构的柱形。

21.如权利要求19或20所述的装置，其特征在于，所述弹性部件以顶部悬挂的方式固定在所述支撑部件的内部。

22.如权利要求19-21任一项所述的装置，其特征在于所述电信号输出装置的数量为3个。

23.一种基于权利要求19-22任一项所述定位装置的三点定位方法，其中需要3个所述电信号输出装置，其特征在于包括如下步骤：

（1）将标记为STENG1、STENG2和STENG3的3个电信号输出装置分别固定在振动传导表面的不同位置；

（2）采用多通道电信号记录和分析装置同时记录3个电信号输出装置的输出信号；

（3）所述电信号记录和分析装置以3个电信号输出装置的中间位置作为坐标原点建立平面坐标系，使得3个电信号输出装置分别置于该坐标系的不同象限；

（4）向所述电信号记录和分析装置分析中输入STENG1与STENG2的间距l以及STENG1与STENG3的间距h；

（5）根据3个电信号输出装置产生电信号的时间差异，初步确定振源所处的象限；

（6）根据振源所处象限给出初值，利用下面的方程组进行迭代计算振源位置；

$\left\{\begin{array}{c}\frac{x^2}{{\left(\frac{D_1}{2}\right)}^2}-\frac{{(y+\frac{h}{2})}^2}{{\left(\frac{l}{2}\right)}^2-{\left(\frac{D_1}{2}\right)}^2}=1\\ \frac{y^2}{{\left(\frac{D_2}{2}\right)}^2}-\frac{{(x-\frac{l}{2})}^2}{{\left(\frac{h}{2}\right)}^2-{\left(\frac{D_2}{2}\right)}^2}=1\end{array}\right.$

其中x和y分别为振源在步骤（3）所确立的坐标系中的横坐标和纵坐标，D₁为振源到STENG1和STENG2的距离差，D₂为振源到STENG1和STENG3的距离差。