CN105577023B - 一种旋转式的脉冲摩擦发电机和轮轴偏心角传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了旋转式的脉冲摩擦发电机和轮轴偏心角传感器，发电机设置于旋转装置上，该发电机包括：第一发电摩擦层(102)；发电层，设置于旋转装置的转动轮上，用于在转动轮转动过程中，与第一发电摩擦层(102)接触或者分离，且在发电层的接触面上产生电荷；第一触片组，电性连接在发电层上；以及第二触片组，接地或者等电位源，用于在所述发电层与所述第一发电摩擦层接触和分离的过程中，分别与所述第一触片组至少接触一次，且在接触时形成闭合电路，产生瞬时正脉冲电流或负脉冲电流。本发明旋转式的脉冲摩擦发电机可直接利用旋转装置自身的结构，就能将旋转机械能转化为电能，结构简单。

Description

一种旋转式的脉冲摩擦发电机和轮轴偏心角传感器

技术领域

本发明涉及一种发电机，具体地，涉及一种旋转式的脉冲摩擦发电机以及轮轴偏心角传感器。

背景技术

半个世纪以来，电子设备朝着小型化，轻巧便携的方向发展。而且由于世界能源消耗迅速增长，因此从环境中获得可持续和低成本的能源的要求越来越高。

我们的日常生活中存在各种形式的机械能，如旋转、振动、走路等等。目前，机械能转化为电能的发电机所利用的原理主要有静电感应、电磁感应和特殊材料的压电性能等。

但是静电感应发电机存在体积大、适用性窄等缺点，电磁感应发电机和压电发电机则普遍存在结构复杂，对材料有特殊要求和成本较高等缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种旋转式的脉冲摩擦发电机和偏心角传感器，可简化组成结构，且降低生产成本。

为了实现上述目的，本发明提供一种旋转式的脉冲摩擦发电机，设置于旋转装置上，该发电机包括：第一发电摩擦层；发电层，设置于所述旋转装置的转动轮上，用于在所述转动轮转动过程中，与所述第一发电摩擦层接触或者分离，且在所述发电层的接触面上产生电荷；第一触片组，电性连接在所述发电层上；以及第二触片组，接地或者等电位源，用于在所述发电层与所述第一发电摩擦层接触和分离的过程中，分别与所述第一触片组至少接触一次，且在接触时在发电层和地或者等电位源之间形成闭合电路，产生瞬时正脉冲电流或负脉冲电流。

优选地，所述发电层包括：电极层，电性连接所述第一触片组，且覆盖所述转动轮的一半，用于在转动过程中，能够与所述第一发电摩擦层完全接触或完全分离；以及绝缘层，对应所述电极层设置，用于覆盖所述转动轮的另一半。

优选地，在所述电极层与所述第一发电摩擦层完全接触和完全分离时，所述第一触片组分别与所述第二触片组至少接触一次。

优选地，所述电极层的材料与所述第一发电摩擦层的材料之间存在摩擦电极序差异。

优选地，所述发电层包括：电极层，至少覆盖所述转动轮的一半，且电性连接所述第一触片组，用于传导电荷；第二发电摩擦层，覆盖在所述电极层上，并且覆盖包括所述电极层的所述转动轮的一半，用于在转动过程中，能够与所述第一发电摩擦层完全接触或完全分离；以及绝缘层，对应所述第二发电摩擦层设置，用于覆盖包括所述电极层的所述转动轮的另一半。

优选地，在所述第二发电摩擦层与所述第一发电摩擦层完全接触和完全分离时，所述第一触片组分别与所述第二触片组至少接触一次。

优选地，所述第二发电摩擦层的材料与第一发电摩擦层的材料之间存在摩擦电极序差异。

优选地，所述第一发电摩擦层与发电层之间的接触面均具有微米或亚微米量级的微结构的接触层。

优选地，所述发电机还包括：弹性层(202)，设置于所述发电层与转动轮之间。

优选地，所述旋转装置的转动轮包括主动轮和从动轮，所述发电层分别设置在所述主动轮和/或从动轮上。

优选地，所述旋转装置包括随所述主动轮和从动轮转动的传动带，所述第一发电摩擦层设置于所述传动带的下表面。

优选地，所述主动轮上的发电层和所述从动轮上的发电层与所述第一发电摩擦层的接触同步或错开半个周期。

优选地，所述主动轮上的发电层与所述从动轮上的发电层之间的最小距离大于5cm。

优选地，所述绝缘层的材料与第一发电摩擦层的材料相同。

优选地，所述电极层的材料为具有导电性能的金属、金属氧化物或合金。

优选地，所述第一触片组包括电性连接在所述发电层上的第一触片，所述第二触片组包括对应设置的第二触片和第三触片，所述第二触片和第三触片均接地或者等电位源；在所述发电层与所述第一发电摩擦层接触和分离的过程中，所述第一触片分别与所述第二触片和第三触片接触或分离。

优选地，所述第一触片、第二触片以及第三触片的材料分别为弹性导电材料。

本发明提供的另一种技术方案：一种轮轴偏心角传感器，所述传感器包括所述的旋转式的脉冲摩擦发电机，其中，所述第一触片组设置在所述转动轮的转轴位置处，且所述第一触片组与所述转轴的轴线重合；所述第二触片组垂直所述第一触片组且设置在所述第一触片组的一侧；当轮轴的转动具有偏心角时，所述第一触片组随着所述轮轴的转动做圆锥运动，从而触碰第二触片组，在第二触片组与所述地或者等电位源之间有瞬时脉冲电流输出，通过所述第一触片组与第二触片组之间的距离和两次接触的时间间隔计算所述偏心角。

优选地，所述第二触片组为两片触片或一个触片。

优选地，所述第一触片组为导电刚性金属轴。本发明旋转式的脉冲摩擦发电机可直接利用旋转装置自身的结构，就能将旋转机械能转化为电能，结构简单，适用范围广。且在各组成部分对材料无特殊要求，降低了生产成本。

在使用相同摩擦层材料的情况下，和连续输出相比，可极大地提高输出电流和输出功率，扩展了摩擦发电机在大电流方面的应用。

由于瞬时输出的特点，可以在主动轮或从动轮的中心位置设置导电金属轴作为第一触片，第一触片与电极层电性连接。第二触片和第三触片可合并为一个触片，将触片垂直第一触片放在第一触片的一侧比较小的距离。当第一触片的准直性比较差时，第一触片就会在空间做圆锥运动，从而触碰另一个触片，有瞬时脉冲电流输出，通过两个触片之间距离大小等可以计算出偏心角度的大小。因此可以作为高速电机轮轴偏心度测量的自驱动角度传感器。

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是本发明旋转式的脉冲摩擦发电机的结构实施例一的运动状态示意图一。

图2是图1的侧视图。

图3是本发明旋转式的脉冲摩擦发电机的结构实施例一的运动状态示意图二。

图4是图3的侧视图。

图5是本发明旋转式的脉冲摩擦发电机的结构实施例一的运动状态示意图三。

图6是图5的侧视图。

图7是本发明旋转式的脉冲摩擦发电机的结构实施例一的运动状态示意图四。

图8是图7的侧视图。

图9是本发明旋转式的脉冲摩擦发电机的发电原理示意图。

图10是本发明旋转式的脉冲摩擦发电机的结构实施例二的示意图。

图11是图10的侧视图。

图12是本发明旋转式的脉冲摩擦发电机的结构实施例三的示意图。

图13是图12的侧视图。

图14是结构实施例一中负载1MΩ时发电机的多周期和单周期的输出电流曲线。

图15是结构实施例一中不同转速下负载1MΩ时的电流峰值随转数的变化曲线。

图16是结构实施例一中输出电压随转数的变化曲线。

图17是第一发电摩擦层的PTFE纳米线的扫描电镜图片。

附图标记说明

101 传送带 102 第一发电摩擦层

201 主动轮 202 弹性层

203 电极层 204 绝缘层

205 第二发电摩擦层 301 从动轮

302 弹性层 303 电极层

304 绝缘层 401 开关支架

402 底座 403 开关支架

501 第一触片 502 第二触片

503 第三触片 601 触片

602 触片 603 触片。

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。

如图1所示，本发明旋转式的脉冲摩擦发电机，设置于旋转装置上，其中，所述发电机包括第一发电摩擦层102；发电层，分别设置于旋转装置的转动轮上，用于在所述转动轮转动过程中，与所述第一发电摩擦层102接触或者分离，且在所述发电层的接触面上产生电荷；第一触片组，电性连接在所述发电层上；第二触片组，接地或者等电位源，用于所述发电层与所述第一发电摩擦层102接触和分离的过程中，与所述第一触片组均至少接触一次，且在接触时在发电层和地之间形成闭合电路，产生瞬时正脉冲电流或负脉冲电流。其中，所述等电位源可以为等电位电路。

所述转动轮包括主动轮201和从动轮301，所述发电层设置在所述主动轮201和/或从动轮301上。如图1-图11所示，所述发电层设置在主动轮上；如图12和图13所示，所述发电层分别设置在主动轮201和从动轮301上。所述主动轮201上的发电层和所述从动轮301上的发电层与所述第一发电摩擦层102的接触同步或错开半个周期。

所述旋转装置包括随主动轮201和从动轮301转动的传送带101，所述第一发电摩擦层102设置在所述传动带101的下表面。所述传动带101对所述第一发电摩擦层102形成保护，可防止灰尘等对脉冲电流造成干扰。

如图1所示，所述发电层包括：电极层203，电性连接所述第一触片组，且覆盖所述转动轮的一半，用于在转动过程中，能够与所述第一发电摩擦层102完全接触或完全分离；以及绝缘层204，对应所述电极层203设置，用于覆盖所述转动轮的另一半。其中，在所述电极层203与所述第一发电摩擦层102完全接触和完全分离时，所述第一触片组分别与所述第二触片组至少接触一次。且所述电极层203的材料与所述第一发电摩擦层102的材料之间存在摩擦电极序差异。

如图10和图11所示，所述发电层包括：电极层203，至少覆盖所述转动轮的一半，且电性连接所述第一触片组，用于传导电荷；第二发电摩擦层205，覆盖在所述电极层203上，并且覆盖包括所述电极层203的所述转动轮的一半，用于在转动过程中，能够与所述第一发电摩擦层102完全接触或完全分离；以及绝缘层204，对应所述第二发电摩擦层205设置，用于覆盖包括所述电极层203的所述转动轮的另一半，并且与第一发电摩擦层102的材料的摩擦电极序较接近，优选为采用相同的材料，互相接触时不会有在表面产生电荷。在所述第二发电摩擦层205与所述第一发电摩擦层102完全接触和完全分离时，所述第一触片组分别与所述第二触片组至少接触一次。且所述第二发电摩擦层205的材料与第一发电摩擦层102的材料之间存在摩擦电极序差异。

本发明脉冲摩擦发电机利用了具有不同摩擦电极序的摩擦层材料接触时发生表面电荷转移的原理。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，在接触面上正电荷从摩擦电极序中极性较负的材料表面转移至摩擦电极序中极性较正的材料表面。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。如果两种材料在摩擦电极序中处于较接近的位置，接触后电荷分布的正负性可能并不符合该序列的预测。需要进一步说明的是，电荷的转移并不需要两种材料之间的相对摩擦，只要存在相互接触即可。

本发明中所述电荷，是指在两种摩擦电极序极性存在差异的材料在接触并分离后其表面所带有的电荷，一般认为，该电荷只分布在材料的表面，分布最大深度不过约为10纳米。研究发现，该电荷能够保持较长的时间，根据环境中湿度等因素，其保持时间在数小时甚至长达数天，而且其消失的电荷量可以通过再次接触得以补充，因此，可以认为：在本发明中接触电荷的电量可以近似认为保持恒定。需要说明的是，所述电荷的符号是净电荷的符号，即在带有正电荷的材料表面的局部地区可能存在负电荷的聚集区域，但整个表面净电荷的符号为正。

本发明的发电机中，第一发电摩擦层102和电极层203或第二发电摩擦层205需要满足：第一发电摩擦层102的材料与电极层203或第二发电摩擦层205的材料存在摩擦电极序差异。

其中，电极层203的材料为具有导电性能的金属、金属氧化物或合金等，例如：所述金属可选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒；所述合金选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬。

其中，第一发电摩擦层102可为绝缘体材料，例如常规的高分子聚合物都具有摩擦电特性，均可以作为制备本发明中第一发电摩擦层102的原材料(也可用来制备第二发电摩擦层205)，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。

相对于绝缘体材料，半导体也具有容易失去电子的摩擦电特性。因此，半导体也可以作为制备第二发电摩擦层205的原料。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，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等，也具有摩擦电特性，能够在摩擦过程形成电荷，也可以用来作为本发明的第二发电摩擦层205；当然，还可以使用其他具有导电特性的材料充当容易失去电子的摩擦层材料，例如铟锡氧化物ITO。

通过实验发现，当第一发电摩擦层102与第二发电摩擦层205材料的得电子能力相差越大(即在摩擦电极序中的位置相差越远)时，发电机输出的电信号越强。所以，可以根据实际需要，选择合适的材料来制备第一发电摩擦层102、第二发电摩擦层205，以获得更好的输出效果。

此外，本发明旋转式的脉冲摩擦发电机还包括开关支架401，对应所述发电层设置，所述开关支架401上设置所述第二触片组；以及底座402，用于固定所述开关支架401。

其中，所述第一触片组包括电性连接在所述发电层上的第一触片501，所述第二触片组包括对应设置的第二触片502和第三触片503，所述第二触片502和第三触片503均接地；在所述发电层与所述第一发电摩擦层102接触和分离的过程中，所述第一触片501分别与所述第二触片502和第三触片503接触或分离。

如图1-图13所示，所述第一触片501电性连接在所述电极层203的端部，第二触片502和第三触片503均接地或者等电位源，且对应设置在所述开关支架401上，在第一发电摩擦层102与电极层203或第二发电摩擦层205完全接触时，所述第一触片501与所述第二触片502接触，与所述第三触片503分离；在第一发电摩擦层102与电极层203或第二发电摩擦层205完全分离时，所述第一触片501与所述第三触片503接触，与所述第二触片502分离。但不以此为限，可根据需要设置各个触片的位置。

当第一触片501与所述第二触片502或所述第三触片503接触时，各触片发生弹性形变，为保证触片之间的良好电接触，所述第一触片501、第二触片502以及第三触片503的材料分别为弹性导电材料。所述弹性材料可选自金属或合金；所述金属可选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒；所述合金可选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒等。

为增加转动时发电层与第一发电摩擦层102的接触面积，进而增加电荷量，本发明旋转式的脉冲摩擦发电机还包括弹性层202，设置于所述发电层与转动轮之间。

为进一步增加接触面积，所述第一发电摩擦层102与发电层之间的接触面均具有微米或亚微米量级的微结构的接触层。其中，所述为微结构可以选自纳米线(如图17所示)、纳米管、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构。优选为所述第一发电摩擦层与发电层的接触面包括上述微、纳米结构形成的阵列。

下面结合具体实施例进行介绍(其中旋转装置以电动机为例)：

实施例一：

如图1和图2所示，本发明旋转式的脉冲摩擦发电机包括传动带101，与传送带101的内表面接触的第一发电摩擦层102；主动轮201，与主动轮201的上表面接触的弹性层202，与弹性层202上表面接触的电极层203，所述电极层203以半圈形式覆盖在所述弹性层202的一半；与所述电极层203对应设置的绝缘层204，覆盖所述弹性层202的另一半；从动轮301，底座402，设置在在主动轮201前侧、与底座402固定连接的开关支架401；电性连接在电极层203的端部的第一触片501，与开关支架401上侧相连的第二触片502，与开关支架401下侧相连的第三触片503，第二触片502和第三触片503电性连接并接地或者等电位源。在本实施例中第二触片502和第三触片503均接地。

初始时，第一发电摩擦层102和电极层203完全接触，在两个表面接触并分离时产生电荷。在主动轮201、从动轮301转动的过程中，在电极层203与第一发电摩擦层102再次完全接触时，第一触片501与第二触片502接触，使电极层203与地面连通，形成闭合电路，输出脉冲电信号；在第一发电摩擦层102和电极层203完全分离时，第一触片501与第三触片503接触，使电极层203与地面连通，形成闭合电路，输出脉冲电信号。当第一发电摩擦层102与电极层203部分接触时，第一触片501不与第二触片502和第三触片503中的任何一个发生接触，电极层203和地面断开，不产生电信号。

初始时，第一发电摩擦层102和电极层203完全接触。如图2所示。此时，第一触片501与第二触片502接触，电极层203与地连通，发电机处于闭路状态。

当主动轮201连同从动轮301、传动带101旋转时，第一发电摩擦层102和电极层203部分接触。如图3和图4所示。此时，第一触片501与第三触片503没有发生接触，发电机仍处于断路状态。

随着主动轮201继续旋转，电极层203与第一发电摩擦层102完全分离，如图5和图6所示。此时，第一触片501和第三触片503发生接触，使电极层203和地连通，发电机处于闭路状态。

当主动轮201继续旋转时，电极层203与第一发电摩擦层102开始接触，并且接触面即逐渐增大，如图7和图8所示。此时，第一触片501与第二触片502没有发生接触，发电机仍处于断路状态。随着主动轮201继续旋转，又回到初始时图1所示的状态。

在发电机的连续转动过程中，发电机的电能输出受到有第一触片501、第二触片502和第三触片503形成的接触开关的控制。当接触开关断开时，发电机处于断路状态，没有电流产生；当接触开关闭合的瞬间，发电机处于闭路状态，并产生瞬时的大功率输出。

如图9所示为本发明旋转式的脉冲摩擦发电机的工作原理示意图。最初第一发电摩擦层102和电极层203完全接触，在两个摩擦层表面接触并分离时产生电荷，如a部分所示。此时，在本发明的所有示例中，第一发电摩擦层102的材料处于摩擦序列表的更负的位置，电极层203的材料处于摩擦序列表的更正的位置。因此，当第一发电摩擦层102与电极层203接触时，第一发电摩擦层102的表面产生负的电荷，电极层203的表面产生正的电荷。因此，当第一触片501和第二触片502瞬时接触时，在电极层203与地之间产生电势差，从而产生瞬时电流。随着主动轮201继续转动，第一发电摩擦层102和电极层203发生逐渐分离，此时第一触片501不与第二触片502和第三触片503发生接触，发电机处于断开状态，因此，不能在电极层203和地之间产生电流，如b部分所示。主动轮201继续转动，第一发电摩擦层102和电极层203完全分离，此时，发电机从断路状态瞬间转变为闭合状态，即瞬时将第一触片501和第二触片503接触，如c部分所示。由于在电极层203上存在正电势，因此，电流从电极层203流向地面流，产生瞬时正脉冲电流。随着主动轮201继续转动，此时第一触片501还没有与第二触片502接触，电路仍处于断开状态，如d部分所示。随着主动轮201的继续转动，第一发电摩擦层102和电极层203完全接触，此时，第一触片501和第二触片502接触，电极层203与地面连通，如a部分所示，使发电机由开路状态瞬间转变为闭路状态。电流从地面流向电极层203，产生瞬时负脉冲电流。到此，发电机完成了一个发电周期。随着转动轮的转动，发电机沿着图9a-9d所示的循环过程产生瞬时的脉冲电流输出。

其中，所述第一发电摩擦层102和电极层203的厚度一般设置为0.1-1mm。

第一发电摩擦层102表面带有电荷，从动轮301与第一发电摩擦层102表面互相接触，对于从动轮301表面材料的选择，从动轮301表面材料主要是和第一发电摩擦层102材料相比，更容易呈现正电性的材料，也可以为与第一发电摩擦层102相同的材料，根据第一发电摩擦层102的材料来选，可以是高分子材料和金属或半导体材料。

其中，传动带101和主动轮201可以采用导电或者非导电材料制备。

本发明旋转式的脉冲摩擦发电机的结构简单，制备方法简单，对材料无特殊要求，在实际使用中，只需要在原器件的表面加工相应的摩擦层，即可应用在传送机，齿轮等旋转机械能，具有广泛的实际用途。

实施例二：

如图10和图11所示，本发明旋转式的脉冲摩擦发电机包括：传送带101，与传动带101的内表面接触的第一发电摩擦层102；主动轮201，与主动轮201的上表面的弹性层202，与弹性层202上表面接触的由导电材料组成的电极层203，电极层203至少覆盖所述弹性层202的一半，在本实施例中，所述电极层203完全覆盖所述弹性层202。与电极层203表面接触的第二摩擦发电层205，所述第二发电摩擦层205覆盖所述电极层203的一半，对应所述第二发电摩擦层205设置的绝缘层204，用于覆盖所述电极层203的另一半，绝缘层204的材料优选与第一发电摩擦层102的材料相同；主动轮201，从动轮301；底座402，在主动轮201前侧、与底座402固定连接的开关支架401；电性连接在电极层203端部的第一触片501，与开关支架上侧相连的第二触片502，与开关支架下侧相连的第三触片503，第二触片502和第三触片503电性连接并接地或者等电位源。在本实施例中，所述第二触片502和第三触片503均接地。

初始时，第一发电摩擦层102和第二发电摩擦层205完全接触，在两个摩擦层表面接触并分离时产生电荷。在主动轮201转动的过程中，当第二发电摩擦层205与第一发电摩擦层102再次完全接触时，第一触片501与第二触片502接触，使电极层203与地连通，输出脉冲电信号；第一发电摩擦层102和第二发电摩擦层205完全分离，第一触片501与第三触片503接触，使第二电极层203与地面连通，输出脉冲电信号。当第一发电摩擦层102与第二发电摩擦层205部分接触时，第一触片501不与第二触片502和第三触片503中的任何一个发生接触，电极层203和地面断开，不产生电信号。

在其他实施例中，由于绝缘层204不参与发电过程，与其接触的电极层203可以不设置，因此，电极层203可以不完全覆盖所述弹性层，只要至少在第二发电摩擦层205覆盖的位置包括电极层203即可，即电极层203至少覆盖主动轮的一半，第二发电摩擦层205覆盖包括所述电极层203的所述转动轮的一半，绝缘层204覆盖包括所述电极层203的所述转动轮的另一半。

本实施例中，在发电机的往复运动中，接触开关的接触方式、发电机的发电原理与实施例一相同，在此不再复述。

实施例三：

如图12和图13所示，本发明旋转式的脉冲摩擦发电机的设置于实施例一中的基本相同。即，传送带101，与传送带101内表面接触的第一发电摩擦层102；主动轮201，与主动轮201上表面接触的弹性层202，与弹性层202上表面接触的电极层203，与电极层对应设置在与弹性层202上表面的绝缘层204。被动轮301，与被动轮301外表面接触的弹性层302，与弹性层302外表面接触的电极层303，与弹性层302外表面接触的绝缘层304。底座402，在主动轮201前侧、与底座402上表面相连的开关支架401，以及从动轮301前侧、与底座402上表面相连的开关支架403。与主动轮201的电极层203上侧相连的第一触片501，与开关支架401上侧相连的第二触片502，与开关支架401下侧相连的第三触片503。与从动轮301的电极层303上侧相连的触片601，与开关支架403上侧相连的触片602，与开关支架403下侧相连的触片603。主动轮201的第二触片502和第三触片503以及从动轮的触片602和触片603之间通过导线连接，第二触片502、第三触片503以及触片602和触片603分别通过导线和地连接或者等电位源。在本实施例中，所述第二触片502、第三触片503以及触片602和触片603均接地。

在设计时，可使主动轮201上的电极层203和从动轮301上的电极层与第一发电摩擦层102的接触同步，从而可增强每一次产生的脉冲电流。

初始时，主动轮201上的第一发电摩擦层102和电极层203完全接触。同时从动轮301上的第一发电摩擦层102和电极层303也完全接触。当主动轮201、从动轮301转动时，第一发电摩擦层102内表面与主动轮201的电极层203以及从动轮301的电极层303外表面发生接触，产生摩擦电荷。当第一发电摩擦层102与电极层203以及电极层303完全接触时，主动轮201的第一触片501与第二触片502接触，从动轮301的触片601与触片602接触，使电极层203和电极层303分别与地面连通，输出脉冲电信号；当第一发电摩擦层102与电极层203以及电极层303完全分离时，所述主动轮201的第一触片501与第三触片503接触，从动轮301触片601和触片603接触，使电极层203和电极层303分别与地连通，输出脉冲电信号。当第一发电摩擦层102与电极层203和电极层303部分接触时，主动轮201的第一触片501不与第二触片502和第三触片503中的任何一个发生接触，且从动轮301的触片501不与触片502和触片503中的任何一个发生接触，两个电极层203、303均与地面断开，不产生电信号。

在设计过程中，也可使从动轮301上的电极层203和主动轮201上的电极层203与第一发电摩擦层102的接触错开半个周期，以提高脉冲输出的频率。

为了防止从动轮301和第二摩擦层203之间电荷积累击穿空气，从动轮301的发电层和主动轮201上的发电层之间的最小距离大于5cm。

在本发明旋转式的脉冲摩擦发电机的制备过程中，首先，以有机玻璃PMMA为材料，通过激光切割的方法加工主动轮201，从动轮301，底座层402，开关支架401。将聚四氟乙烯溶液注入孔径为45纳米的阳极铝氧化模板上面。采用常规的真空工艺除空气，在室温下固化一天，溶剂蒸发后，通过双面胶将聚四氟乙烯薄膜剥离。图17是第一发电摩擦层102的聚四氟乙烯表面纳米线结构的电子扫描显微镜(SEM)图片，如图所示，纳米线排列整齐，直径大约为45纳米，长度约为345纳米。

发电机在旋转过程中，可以输出交流脉冲信号。下面以示例一所示的器件为例，展示接触开关式脉冲摩擦发电机的输出特性。图14是负载1MΩ时发电机的多周期和单周期的输出电流曲线。曲线表明，输出脉冲电流的最大值大约20μA。电流曲线的特征为：首先，电流从零陡峭地上升到最大值，然后随时间迅速衰减。电流陡峭上升的瞬间对应于第一触片501与第二触片502/第三触片503接触的瞬间。图15是不同转速下负载1MΩ时的电流峰值随转数的变化曲线，曲线表明电流峰值不随转速的变化而变化，是一个基本恒定的值。图16是输出电压随转数的变化曲线。曲线表明，电压也不随转速的变化而变化，其值可以达到70V。在本示例中，第一摩擦层102和电极层203之间的接触面积是6×10^-4m²。

本发明各实施例中的发电机输出的电信号为交流脉冲电信号，通过改变触点的位置，可以作为高速电机轮轴准直性判断和偏心角测量的自驱动传感器。由于瞬时输出的特点，这种轮轴偏心角传感器具体包括所述旋转式的脉冲摩擦发电机，其中，所述第一触片组可以设置在转动轮(主动轮或者从动轮)的转轴位置处，所述第一触片组为导电刚性金属轴，所述第一触片组与电极层通过导线连接，所述第一触片组与所述转轴的轴线重合，所述第二触片组垂直所述第一触片组且设置在所述第一触片组的一侧比较小的距离。当高速电机轮轴的准直性比较差时，所述第一触片组就会在空间做圆锥运动，从而触碰第二触片组，有瞬时脉冲电流输出，通过所述第一触片组与第二触片组之间距离L、以及两次接触的时间间隔等可以计算出偏心角度的大小。因此可以作为高速电机轮轴偏心度测量的自驱动角度传感器。其中，所述第二触片组可为两片触片或一个触片。

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。

Claims (19)

1.一种旋转式的脉冲摩擦发电机，设置于旋转装置上，其特征在于，该发电机包括：

第一发电摩擦层(102)；

发电层，设置于所述旋转装置的转动轮上，用于在所述转动轮转动过程中，与所述第一发电摩擦层(102)接触或者分离，且在所述发电层的接触面上产生电荷；

第一触片组，电性连接在所述发电层上；以及

第二触片组，接地或者等电位源，用于在所述发电层与所述第一发电摩擦层接触和分离的过程中，分别与所述第一触片组至少接触一次，且在接触时在发电层和地或者等电位源之间形成闭合电路，产生瞬时正脉冲电流或负脉冲电流；

其中，所述旋转装置的转动轮包括主动轮(201)和从动轮(301)，所述发电层分别设置在所述主动轮(201)和/或从动轮(301)上。

2.根据权利要求1所述的旋转式的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述发电层包括：

电极层(203)，电性连接所述第一触片组，且覆盖所述转动轮的一半，用于在转动过程中，能够与所述第一发电摩擦层(102)完全接触或完全分离；以及

绝缘层(204)，对应所述电极层(203)设置，用于覆盖所述转动轮的另一半。

3.根据权利要求2所述的旋转式的脉冲摩擦发电机，其特征在于，在所述电极层(203)与所述第一发电摩擦层(102)完全接触和完全分离时，所述第一触片组分别与所述第二触片组至少接触一次。

4.根据权利要求2所述的旋转式的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述电极层(203)的材料与所述第一发电摩擦层(102)的材料之间存在摩擦电极序差异。

5.根据权利要求1所述的旋转式的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述发电层包括：

电极层(203)，至少覆盖所述转动轮的一半，且电性连接所述第一触片组，用于传导电荷；

第二发电摩擦层(205)，覆盖在所述电极层(203)上，并且覆盖包括所述电极层(203)的所述转动轮的一半，用于在转动过程中，能够与所述第一发电摩擦层(102)完全接触或完全分离；以及

绝缘层(204)，对应所述第二发电摩擦层(205)设置，用于覆盖包括所述电极层(203)的所述转动轮的另一半。

6.根据权利要求5所述的旋转式的脉冲摩擦发电机，其特征在于，在所述第二发电摩擦层(205)与所述第一发电摩擦层(102)完全接触和完全分离时，所述第一触片组分别与所述第二触片组至少接触一次。

7.根据权利要求5所述的旋转式的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述第二发电摩擦层(205)的材料与第一发电摩擦层(102)的材料之间存在摩擦电极序差异。

8.根据权利要求1所述的旋转式的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述第一发电摩擦层(102)与发电层之间的接触面均具有微米或亚微米量级的微结构的接触层。

9.根据权利要求1所述的旋转式的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述发电机还包括：

弹性层(202)，设置于所述发电层与转动轮之间。

10.根据权利要求1所述的旋转式的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述旋转装置包括随所述主动轮(201)和从动轮(301)转动的传动带(101)，所述第一发电摩擦层(102)设置于所述传动带(101)的下表面。

11.根据权利要求1所述的旋转式的脉冲摩擦发电机，其特征在于，当所述发电层分别设置在所述主动轮(201)和从动轮(301)上，所述主动轮(201)上的发电层和所述从动轮(301)上的发电层与所述第一发电摩擦层(102)的接触同步或错开半个周期。

12.根据权利要求1所述的旋转式的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述主动轮(201)上的发电层与所述从动轮(301)上的发电层之间的最小距离大于5cm。

13.根据权利要求2或5所述的旋转式的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述绝缘层(204)的材料与第一发电摩擦层(102)的材料相同。

14.根据权利要求2-7中任一项所述的旋转式的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述电极层(203)的材料为具有导电性能的金属、金属氧化物或合金。

15.根据权利要求1-12中任一项所述的旋转式的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述第一触片组包括电性连接在所述发电层上的第一触片(501)，所述第二触片组包括对应设置的第二触片(502)和第三触片(503)，所述第二触片(502)和第三触片(503)均接地或者等电位源；在所述发电层与所述第一发电摩擦层(102)接触和分离的过程中，所述第一触片(501)分别与所述第二触片(502)和第三触片(503)接触或分离。

16.根据权利要求15所述的旋转式的脉冲摩擦发电机，其特征在于，所述第一触片(501)、第二触片(502)以及第三触片(503)的材料分别为弹性导电材料。

17.一种轮轴偏心角传感器，其特征在于，所述传感器包括权利要求1-13中任一项所述的旋转式的脉冲摩擦发电机，其中，

所述第一触片组设置在所述转动轮的转轴位置处，且所述第一触片组与所述转轴的轴线重合；

所述第二触片组垂直所述第一触片组且设置在所述第一触片组的一侧；

当轮轴的转动具有偏心角时，所述第一触片组随着所述轮轴的转动做圆锥运动，从而触碰第二触片组，在第二触片组与所述地或者等电位源之间有瞬时脉冲电流输出，通过所述第一触片组与第二触片组之间的距离和两次接触的时间间隔计算所述偏心角。

18.根据权利要求17所述的轮轴偏心角传感器，其特征在于，所述第二触片组为两片触片或一个触片。

19.根据权利要求17所述的轮轴偏心角传感器，其特征在于，所述第一触片组为导电刚性金属轴。