CN108512454A - 一种多电极摩擦发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多电极摩擦发电装置，至少包括一个摩擦发电组，所述摩擦发电组由多个摩擦面按照不同的高低顺序排布构成多块电极，当外力在一次按压过程中，位于最高位置的电极优先接触，导致其它电极上的电子重新平衡，使得电子定向移动，形成电流；当其它电极面依次接触时，电子再次的进行重新分布、平衡，最终产生多个脉冲信号；当外力撤去时，电子流向与施加外力时的电子流向相反，得到大小与方向不同的多个脉冲信号。本发明在一次施加力和撤去力的动作中，通过数目和位置不等的摩擦接触面可以得到大小、方向和数目等特征不同的组合脉冲信号，可广泛的用于分析预测物体的运动状态、加速度传感、振动测量等方面。
Description
技术领域
本发明涉及一种发电装置，尤其涉及一种多电极摩擦发电装置。
背景技术
摩擦发电技术是一种新型的发电技术，与纳米表面修饰技术结合起来，逐渐形成一门摩擦电子学。该类学科研究的是如何把自然界中的随处可见的机械能转化为电能，只要存在滑动、接触等运动形式，都可以利用摩擦发电技术产生电能。该类装置设备简单、造价低、不污染环境、适用范围广，是一种清洁、绿色的能源技术，广泛应用于智能传感、定位、发电等方面。
摩擦是一种自然界中广泛存在的一种形式，产生的静电，无论在生活还是在工业生产中，都被认为是一种危害，是要防止和避免的。然而，自摩擦电子学提出以来，摩擦运动受到国内外研究学者的极大兴趣，正是因为它可以通过设计特殊的发电结构单元，把因接触产生的静电收集起来，使得正、负电荷分别在两个电极上富集，产生一定的电势差，当连接外电路时，可对外提供电能，使得静电能发挥积极正面的作用。
目前，基于摩擦发电装置的应用率相对较低，主要是因为已有的摩擦发电设备相对较少，一次有效触发通常只产生一个周期的电信号，形式相对单一，影响到摩擦发电机的市场应用与开发。
发明内容
为了解决摩擦发电机产生的交流信号周期单一而导致应用受限的问题，本发明提供一种多电极摩擦发电装置，使得一次触发，在两两电极之间可以产生多组不同特征的交流脉冲信号。由于摩擦发电机产生的脉冲信号具有峰值功率高的特点，使得该类型的装置可广泛应用于位置探测、高度传感、加速度传感等方面。
为了达到上述目的，本发明采用的技术手段是：一种多电极摩擦发电装置，至少包括一个摩擦发电组，所述摩擦发电组由多个摩擦面按照不同的高低顺序排布构成多块电极，当外力在一次按压过程中，位于最高位置的电极优先接触，导致其它电极上的电子重新平衡，使得电子定向移动，形成电流；当其它电极面依次接触时，电子再次的进行重新分布、平衡，最终产生多个脉冲信号；当外力撤去时，电子流向与施加外力时的电子流向相反，得到大小与方向不同的多个脉冲信号。
进一步的，所述脉冲信号的信号大小和方向的不同，通过设置不同高度的电极、使用不同的电极功能层或使用不同面积的摩擦面获得。
更进一步的，所述摩擦发电组至少包括一个支撑体，在支撑体上设置有表面覆盖一层导电层的绝缘空心定体，在绝缘空心定体内设置一个动导体，动导体的一端连接弹性件I，弹性件I安装在支撑体上并位于绝缘空心定体的空心内，在动导体上方设置一个用于提供摩擦面的绝缘压盖。
更进一步的，所述绝缘空心定体为空心圆柱体，动导体为圆柱体，绝缘空心定体的圆环表面积与动导体的圆形截面的圆面积相等。
更进一步的，所述绝缘空心定体外设置外绝缘壳体，外绝缘壳体一端连接绝缘压盖，另一端连接安装在支撑体上的弹性件II。
进一步的，所述导电电极层和摩擦接触面的材质为导体材料，绝缘摩擦层的材质为绝缘材料。
更进一步的，所述导体材料为金属单质、合金、非金属导电材料，所述绝缘材料为高分子、氧化物或陶瓷。
本发明具有以下优点：在一次施加力和撤去力的动作中，通过数目和位置不等的摩擦接触面可以得到大小、方向和数目等特征不同的组合脉冲信号，可广泛的用于分析预测物体的运动状态、加速度传感、振动测量等方面。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例2的结构示意图；
图3为本发明实施例2中电荷转移过程示意图；
图4为本发明实施例2的电压波形图；
图5为本发明实施例3的结构示意图；
图6为本发明实施例4的结构示意图。
图中：1、绝缘压盖，2、动导体，3、外绝缘壳体，4、绝缘空心定体，5、圆柱形中空筒体，6、弹性件I，7、弹性件II，8、支撑台。
具体实施方式
实施例1
一种可以将一次触发转化为多个脉冲信号输出的摩擦发电装置。主要是利用静电感应作用下电荷的重新分布特性，在一次外力作用下连续触发不同的摩擦面，电子在不同的电极之间定向移动，形成多个脉冲信号。通过控制不同的摩擦接触电极的面积，可以调整脉冲信号的强度；通过设置不同摩擦面接触的先后顺序，可以得到大小和方向不同的脉冲信号。
如图1所示，一个有两接触面的摩擦发电装置，包括一个支撑台8，支撑台8上设置有一个圆柱形中空筒体5，在圆柱形中空筒体5上设置有表面覆盖一层导电层的绝缘空心定体4，在绝缘空心定体4内设置一个动导体2，动导体2的一端连接弹性件I6，弹性件I6安装在支撑台8上并位于圆柱形中空筒体5和绝缘空心定体4的空心内，绝缘空心定体4为空心圆柱体，动导体2为圆柱体，绝缘空心定体4的圆环表面积与动导体2的圆形截面的圆面积相等，动导体2作为一个电极，绝缘空心定体4作为一个电极，在绝缘空心定体4外设置外绝缘壳体3，外绝缘壳体3一端连接绝缘压盖1，另一端连接安装在圆柱形中空筒体5外的弹性件II7。
绝缘压盖1为一种绝缘体(如聚酰亚胺)圆形盖子，动导体2为可移动圆柱形导体部件，与弹性件I6(如弹簧)相连，可直接把动导体2引出作为其中一个电极。当受到绝缘压盖1按压的时候，动导体2可自由上下移动。绝缘空心定体4为表面覆盖一层导电层的绝缘空心圆柱形体，可直接引出导线作为另外一个电极。外绝缘壳体3为可上下移动的绝缘体，与弹性件II7（如弹簧）相连，使得绝缘压盖1受到压力时，可上、下自由移动。
绝缘压盖1、动导体2、绝缘空心定体4为核心部件，其功能层也可替换为其他绝缘体+支撑体。导电层包括各类金属、合金、导电薄膜等导电材料，绝缘体为各种高分子材料。同时，可以对金属或绝缘体的接触面进行微观形貌修饰处理，提高有效接触面积，增加转移的有效电荷总量。
实施例2
本实施例中展示一种典型摩擦发电装置结构示意图，切面图如图2所示，在一次施加力和撤销力的过程中，可产生两个周期、四个脉冲波形的信号。
电荷的转移过程如图3所示。绝缘压盖1为聚酰亚胺绝缘体，动导体2和绝缘空心定体4的表面有一薄层AI，分别作为电极一和电极二。一次按压和松开一套动作，该装置两电极上电子转移的先后过程为(c)-(d)-(a)-(b)-(c)。当装置绝缘压盖1和动导体2、绝缘空心定体4有过接触时，在绝缘压盖1的下表面会有因摩擦产生的负电荷，动导体2和绝缘空心定体4的导电层中带有相应的正电荷。
当有外力作用时，绝缘压盖1向下运动，使得绝缘压盖1的下表面首先接触动导体2上表面的导电层，器件的相对位置从图3的(c)转变为图3的(d)。接触的部分，正、负电荷中心复合，电极二表面没有剩余净电荷。若此时电极一和电极二通过外部电路连通，则电极一上的电子在静电感应作用下，电荷重新分布，电子从电极一流向电极二；
当绝缘压盖1继续向下运动时，绝缘压盖1的下表面将与绝缘空心定体4的上表面接触，器件的相对位置从图3的(d)转变为图3的(a)。接触的部分，正、负电荷中心复合，若此时电极一和电极二通过外部电路连通，则电极二上多余的电子将重新分布，多余的电子从电极二上反向流回到电极一；
当外力撤去过程中，绝缘压盖1的下表面首先离开绝缘空心定体4的上表面，器件的相对位置从图3的(a)转变为图3的(b)。绝缘压盖1的下表面首先与电极二接触的部分分离，若此时电极一和电极二通过外部电路连通，则电极一上的电子在静电感应作用下，电荷重新分布，电子从电极一流向电极二；
当外力完全撤去时，绝缘压盖1回到原来位置，器件的相对位置从图3的(b)转变为图3的(c)。此时，绝缘压盖1与电极一和电极二完全分离，若此时电极一和电极二通过外部电路连通，则电极二上多余的电子将重新分布，多余的电子从电极二上反向流回到电极一；
在一次按压的过程中，我们可以看到电子流动的方向变化了四次，有四个脉冲信号产生，信号变化经历了两个周期，相比常规摩擦发电装置，信号变化多增加了一个周期，信号的变化过程如图4所示。我们规定电流从电极一流向电极二为电流的正方向，图4电压的波形图仅从理论上演示电流的转移方向。波形图上的A、B、C、D四个区域，分别对应(c)-(d)-(a)-(b)-(c)四个电流转移过程。
该实施例仅通过设置两个高、低不同摩擦接触面，便得到两个周期的脉冲波形。
实施例3
本实施例中展示的是另外一种典型的摩擦发电装置，装置的切面图如图5所示。绝缘压盖1的下面覆盖了一层绝缘体(如聚四氟乙烯)；在动导体2的上表面覆盖另外一种绝缘体(如聚酰亚胺)，动导体2为电极一；在绝缘空心定体4的上表面覆盖第三种绝缘材料(如聚乙烯)，在绝缘材料和绝缘空心定体4之间有一层导电层(如AI)，导电层为电极二。
在一次按压过程中，电子的转移过程和实施例2中的四个转移过程相似，也会产生两个周期的脉冲信号。这是由于在接触时，不同材料得失电子的能力不同，所以在动导体2和绝缘空心定体4上两种不同的绝缘材料的表面上有不等量的摩擦电荷，在绝缘层聚四氟乙烯分别与聚乙烯和聚酰亚胺接触的过程中，两电极上的电子重新分布，产生两个周期的脉冲信号。
本实施例中的关键是相互接触的三个摩擦面为三种不同的材料。
实施例4
本实施例中展示的是另外一种典型的摩擦发电装置，装置的切面图如图6所示。绝缘压盖1为绝缘体(如聚四氟乙烯)盖子。动导体2的上面覆盖一层绝缘层(如聚酰亚胺)，在绝缘层的上方覆盖一层金属层(如AI)，动导体2为电极一。绝缘空心定体4的表面覆盖一层金属导电层(如AI)，导电层为电极二。
此实施例的不同点在于动导体2和金属层中间多了一层绝缘层。
当绝缘压盖1和动导体2、绝缘空心定体4有过接触时，在绝缘压盖1的下表面会有因摩擦产生的负电荷，动导体2和绝缘空心定体4的最上层的金属AI导电层中带有相应的正电荷。此时，电极一不带电，电极二带正电。
当有外力作用时，绝缘压盖1向下运动，使得绝缘压盖1的下表面首先接触动导体2上表面的导电层，接触的面积范围内，正负电荷复合，则电极一上的电子(数值上等于某一个接触面摩擦产生电荷的一半)在电极二的静电感应下，重新分布，使得电子从电极一向电极二运动；
当绝缘压盖1继续向下运动时，绝缘压盖1的下表面将与绝缘空心定体4的上表面接触，在绝缘压盖1下表面静电感应的作用下，电极二上的负电荷将重新分布，电子从电极二流回电极一；
当外力撤去过程中，绝缘压盖1的下表面首先离开绝缘空心定体4的上表面，在电极二正电荷的作用下，电子从电极一向电极二运动；
当外力完全撤去时，绝缘压盖1回到原来位置，电极一在动导体2最上层带正电的导电层作用下，电子从电极二流回电极一；由此可见，当我们改变电极上的摩擦功能层的时候，虽然电流流向可能相同，但导电机制是有差异的，这与我们单电池的构建有关，功能层的稍许变化，也属于本技术方案的保护范围。
本发明所公开的实例只针对本发明的技术方案的解释，不能作为对本发明的内容的限制，本领域技术人员在本发明基础上的变更依然在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种多电极摩擦发电装置，其特征在于：至少包括一个摩擦发电组，所述摩擦发电组由多个摩擦面按照不同的高低顺序排布构成多块电极，当外力在一次按压过程中，位于最高位置的电极优先接触，导致其它电极上的电子重新平衡，使得电子定向移动，形成电流；当其它电极面依次接触时，电子再次的进行重新分布、平衡，最终产生多个脉冲信号；当外力撤去时，电子流向与施加外力时的电子流向相反，得到大小与方向不同的多个脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的多电极摩擦发电装置，其特征在于：所述脉冲信号的信号大小和方向的不同，通过设置不同高度的电极、使用不同的电极功能层或使用不同面积的摩擦面获得。
3.根据权利要求2所述的多电极摩擦发电装置，其特征在于：所述摩擦发电组至少包括一个支撑体，在支撑体上设置有表面覆盖一层导电层的绝缘空心定体，在绝缘空心定体内设置一个动导体，动导体的一端连接弹性件I，弹性件I安装在支撑体上并位于绝缘空心定体的空心内，在动导体上方设置一个用于提供摩擦面的绝缘压盖。
4.根据权利要求1所述的多电极摩擦发电装置，其特征在于：所述绝缘空心定体为空心圆柱体，动导体为圆柱体，绝缘空心定体的圆环表面积与动导体的圆形截面的圆面积相等。
5.根据权利要求4所述的多电极摩擦发电装置，其特征在于：所述绝缘空心定体外设置外绝缘壳体，外绝缘壳体一端连接绝缘压盖，另一端连接安装在支撑体上的弹性件II。
6.根据权利要求1所述的多电极摩擦发电装置，其特征在于：所述导电电极层和摩擦接触面的材质为导体材料，绝缘摩擦层的材质为绝缘材料。
7.根据权利要求6所述的多电极摩擦发电装置，其特征在于：所述导体材料为金属单质、合金、非金属导电材料，所述绝缘材料为高分子、氧化物或陶瓷。
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