CN108732420B - 摩擦发电机输出电能的计算方法、装置及系统 - Google Patents

摩擦发电机输出电能的计算方法、装置及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种摩擦发电机输出电能的计算方法、装置及系统。方法包括：获取摩擦发电机的参数，获取初始时刻第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(0)，根据上述参数、ε0、x(0)、U0计算初始时刻摩擦发电机上感应出的电荷量Q0，其中，初始时刻U0＝0；获取第j个时刻第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(j)，基于上述参数、ε0、x(j)、Qj‑1计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj，根据Uj计算Qj，基于输出电压Uj和电阻R，计算摩擦发电机第j个时刻的输出电流Ij，将j赋值为j+1；重复执行本步骤，直至j等于n结束，j为大于或等于1的整数；输出第n个时刻的摩擦发电机的输出电压Un、输出电流In，能够简单有效地计算摩擦发电机的电压和电流。

Description

摩擦发电机输出电能的计算方法、装置及系统
技术领域
本发明涉及发电技术领域，具体涉及一种摩擦发电机输出电能的计算方法、装置及系统。
背景技术
众所周知，物体和物体之间相互摩擦时会使一方带上负电，另一方带上正电，这种由于物体间摩擦而产生的电叫摩擦电。摩擦电是自然界最常见的现象之一，且摩擦电的产生条件非常宽泛。目前，已经利用摩擦起电和静电感应原理成功制备了摩擦发电机，该摩擦发电机可以将机械能转变为电能。很多情况下，需要对摩擦发电机所产生的电信号进行处理，现有的用于计算摩擦发电机的输出电压和输出电流的计算方法具有过于繁琐，计算量大等缺点。
发明内容
本发明的发明目的是针对现有技术的缺陷，提供一种摩擦发电机输出电能的计算方法、装置及系统，用于简化计算量，简单有效的计算摩擦发电机的输出电压和输出电流。
本发明提供一种摩擦发电机输出电能的计算方法，该方法应用于包括第一摩擦部件和第二摩擦部件的摩擦发电机，摩擦发电机具有两个电信号输出端，两个电信号输出端分别与对应的输出导线连接外接电阻R形成通路；其中，方法包括：
步骤S100，获取摩擦发电机摩擦表面相对面积S、第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的厚度d1、d2，第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的相对介电常数εr1、εr2，以及第一摩擦部件和第二摩擦部件表面的静电荷密度σ；
步骤S110，获取初始时刻第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(0)，根据真空介电常数ε0、S、d1、d2、εr1、εr2、σ、x(0)以及初始时刻电压U0计算初始时刻摩擦发电机上感应出的电荷量Q0，其中，初始时刻U0＝0；
步骤S120，获取第j个时刻第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(j)，基于ε0、S、d1、d2、εr1、εr2、σ、x(j)、Qj-1计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj，根据Uj计算Qj，基于输出电压Uj和电阻R，计算摩擦发电机第j个时刻的输出电流Ij；将j赋值为j+1，重复执行步骤S120，直至j等于n结束，其中j为大于或等于1的整数；
步骤S130，输出第n个时刻的摩擦发电机的输出电压Un、输出电流In。
本发明提供一种用于计算摩擦发电机输出电能的装置，该装置应用于包括第一摩擦部件和第二摩擦部件的摩擦发电机，摩擦发电机具有两个电信号输出端，两个电信号输出端分别与对应的输出导线连接外接电阻R形成通路；其中，该装置包括：
获取模块，用于获取摩擦发电机摩擦表面相对面积S、第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的厚度d1、d2，第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的相对介电常数εr1、εr2，以及第一摩擦部件和第二摩擦部件表面的静电荷密度σ；
初始值计算模块，用于获取初始时刻第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(0)，根据真空介电常数ε0、S、d1、d2、εr1、εr2、σ、x(0)以及初始时刻电压U0计算初始时刻摩擦发电机上感应出的电荷量Q0，其中，初始时刻U0＝0；
输出电能计算模块，用于获取第j个时刻第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(j)，基于ε0、S、d1、d2、εr1、εr2、σ、x(j)、Qj-1计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj，根据Uj计算Qj，基于输出电压Uj和电阻R，计算摩擦发电机第j个时刻的输出电流Ij；输出电能计算模块重复执行n次，其中j为大于或等于1的整数；
赋值模块，用于将j赋值为j+1；
输出模块，用于输出第n个时刻的摩擦发电机的输出电压Un、输出电流In。
本发明提供一种用于计算摩擦发电机输出电能的系统，系统包括：用于计算摩擦发电机输出电能的装置和摩擦发电机；
摩擦发电机包括：第一摩擦部件和第二摩擦部件，摩擦发电机具有两个电信号输出端，两个电信号输出端分别与对应的输出导线连接外接电阻R形成通路。
根据本发明上述实施例提供的方案，利用第j-1个时刻摩擦发电机在第一摩擦部件和第二摩擦部件之间产生的电荷量Qj-1来计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj和输出电流Ij，简化了计算量，从而能够简单有效的计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj和输出电流Ij。
附图说明
图1示出了根据本发明一个实施例的摩擦发电机输出电能的计算方法的流程示意图；
图2示出了根据本发明另一个实施例的摩擦发电机输出电能的计算方法的流程示意图；
图3示出了根据本发明另一个实施例的摩擦发电机输出电能的计算方法的流程示意图；
图4为本发明提供的摩擦发电机实施例一的结构示意图；
图5为本发明提供的摩擦发电机实施例二的结构示意图；
图6示出了根据本发明一个实施例的用于计算摩擦发电机输出电能的装置的结构示意图；
图7示出了根据本发明另一个实施例的用于计算摩擦发电机输出电能的装置的结构示意图；
图8示出了根据本发明一个实施例的用于计算摩擦发电机输出电能的系统的结构示意图。
具体实施方式
为了更好的了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的一种摩擦发电机输出电能的计算方法做进一步详细的描述。
本发明应用于包括第一摩擦部件和第二摩擦部件的摩擦发电机，摩擦发电机具有两个电信号输出端，两个电信号输出端分别与对应的输出导线连接外接电阻R形成通路，当摩擦发电机受到外界施加的压力时，摩擦发电机的第一摩擦部件和第二摩擦部件会在压力作用下相互摩擦，并在两个电信号输出端产生电信号，下面将具体介绍摩擦发电机的发电原理，如下：
当本实施例的摩擦发电机的各层向下弯曲时，摩擦电发电机部分中的第一摩擦部件和第二摩擦部件的表面相互摩擦产生静电荷，静电荷的产生会使两个电信号输出端(定义第一电信号输出端和第二电信号输出端)之间的电容发生改变，从而导致两个电信号输出端之间出现电势差。由于两个电信号输出端之间的电势差的存在，自由电子将通过外电路由电势低的第一电信号输出端流向电势高的第二电信号输出端，从而在外电路中形成电流。当摩擦发电机的各层恢复到原来状态时，摩擦电发电机部分中的各层恢复到其原来的平板状态，这时形成在两个电信号输出端之间的内电势消失，由于整个摩擦电发电机的部分摩擦部件是绝缘结构，该绝缘结构可以防止自由电子在摩擦电发电机部分内部中和，此时已平衡的两个电信号输出端之间将再次产生反向的电势差，则自由电子通过外电路形成反向电流，从而，在外电路中形成反向电流。
本发明提供的摩擦发电机输出电能的计算方法及装置则用于对摩擦发电机所产生的电信号进行处理，例如，计算摩擦发电机的输出电压和输出电流。下面通过具体实施例介绍对摩擦发电机的信号进行处理的方法：
图1示出了根据本发明一个实施例的摩擦发电机输出电能的计算方法的流程示意图。如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤S100：获取摩擦发电机摩擦表面相对面积S、第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的厚度d1、d2，第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的相对介电常数εr1、εr2，以及第一摩擦部件和第二摩擦部件表面的静电荷密度σ。
对于一摩擦发电机，其摩擦表面相对面积S、第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的厚度d1、d2，第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的相对介电常数εr1、εr2以及第一摩擦部件和第二摩擦部件表面的静电荷密度σ是固定的。
其中，摩擦表面相对面积S、第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的厚度d1、d2可以利用直尺等测量得到，第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的相对介电常数εr1、εr2可以利用介电常数测试仪测量得到，第一摩擦部件和第二摩擦部件表面的静电荷密度σ可以利用静电计测量得到。
在本发明实施例中，是利用第j-1个时刻摩擦发电机在第一摩擦部件和第二摩擦部件之间产生的电荷量Qj-1来计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj和输出电流Ij，其中，j为大于或等于1的整数，因此，需要先计算初始时刻的电荷量Q0，具体地，可以采用如下方法计算Q0：
步骤S110，获取初始时刻第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(0)，根据真空介电常数ε0、S、d1、d2、εr1、εr2、σ、x(0)、U0计算初始时刻摩擦发电机上感应出的电荷量Q0，其中，初始时刻U0＝0。
在计算Q0之前，还需要获取初始时刻第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(0)，我们知道，在初始时刻，摩擦发电机的输出电压U0＝0，由此，可以根据ε0、S、d1、d2、εr1、εr2、σ、x(0)、U0计算初始时刻摩擦发电机上感应出的电荷量Q0。
步骤S120，获取第j个时刻第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(j)，基于ε0、S、d1、d2、εr1、εr2、σ、x(j)、Qj-1计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj，根据Uj计算Qj，基于输出电压Uj和电阻R，计算摩擦发电机第j个时刻的输出电流Ij。
摩擦发电机在受到外力作用后，摩擦发电机的各层在压力作用下会发生状态变化；当外力消失后，摩擦发电机的各层的恢复到原来的状态。摩擦发电机的各层状态变化和恢复过程中，第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(j)是实时变化的，因此，在计算摩擦发电机的输出电压和输出电流之前时，需要先获取第j个时刻第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(j)。
在获取到第j个时刻第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(j)之后，基于ε0、S、d1、d2、εr1、εr2、σ、x(j)、Qj-1计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj，根据Uj计算Qj，在计算得到Uj之后，基于输出电压Uj和电阻R，计算摩擦发电机第j个时刻的输出电流Ij，其中，Uj为摩擦发电机在第j个时刻输出的平均电压值，Ij为摩擦发电机在第j个时刻输出的平均电流值。
步骤S130，将j赋值为j+1。
步骤S140，判断j是否等于n，若是，则执行步骤S150；若否，则执行步骤S120。
举例说明，在根据步骤S110计算得到Q0之后，可以根据Q0计算U1，然后根据U1计算Q1，基于输出电压U1和电阻R，计算摩擦发电机第1个时刻的输出电流I1，将j赋值为2，再根据Q1计算U2，直至j等于n结束。
步骤S150，输出第n个时刻的摩擦发电机的输出电压Un、输出电流In。
在计算得到输出电压和输出电流之后，可以输出第n个时刻的摩擦发电机的输出电压Un、输出电流In。
在本发明实施例中，利用j-1个时刻摩擦发电机在第一摩擦部件和第二摩擦部件之间产生的电荷量Qj-1来计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压和电流，因此，无需计算第j个时刻在第一摩擦部件和第二摩擦部件之间产生的电荷量Qj，因此，简化了摩擦发电机的输出电压和输出电流的计算。
根据本发明上述实施例提供的方法，利用第j-1个时刻摩擦发电机在第一摩擦部件和第二摩擦部件之间产生的电荷量Qj-1来计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj和输出电流Ij，简化了计算量，从而能够简单有效的计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj和输出电流Ij。
图2示出了根据本发明另一个实施例的摩擦发电机输出电能的计算方法的流程示意图。如图2所示，该方法包括以下步骤：
步骤S200：获取摩擦发电机摩擦表面相对面积S、第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的厚度d1、d2，第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的相对介电常数εr1、εr2，以及第一摩擦部件和第二摩擦部件表面的静电荷密度σ。
对于一摩擦发电机，其摩擦表面相对面积S、第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的厚度d1、d2，第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的相对介电常数εr1、εr2以及第一摩擦部件和第二摩擦部件表面的静电荷密度σ是固定的。也就是说，在后续计算任一时刻的输出电压Uj和输出电流Ij时，这些参数都是不变的，其中，j为大于或等于1的整数。
其中，摩擦表面相对面积S、第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的厚度d1、d2可以利用直尺等测量得到，第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的相对介电常数εr1、εr2可以利用介电常数测试仪测量得到，第一摩擦部件和第二摩擦部件表面的静电荷密度σ可以利用静电计测量得到。
在本发明实施例中，是利用第j-1个时刻摩擦发电机在第一摩擦部件和第二摩擦部件之间产生的电荷量Qj-1来计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj和输出电流Ij，其中，j为大于或等于1的整数，因此，需要先计算初始时刻的电荷量Q0，具体地，可以采用如下方法计算Q0：
步骤S210，获取初始时刻第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(0)，基于ε0、S、d1、d2、εr1、εr2、σ、x(0)、U0利用公式(9)计算得到Q0，其中，初始时刻U0＝0：
Figure BDA0001270407550000071
其中，
Figure BDA0001270407550000072
在计算Q0之前，还需要获取初始时刻第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(0)，我们知道，在初始时刻，摩擦发电机的输出电压U0＝0，由此，可以根据ε0、S、d1、d2、εr1、εr2、σ、x(0)、U0利用公式(9)计算得到Q0。
在本发明实施例中，第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(0)包含两种情况，第一种情况：x(0)＝0；第二种情况：x(0)＝d,d≠0，针对两种情况，得到两个不同的Q0。
针对第一种情况，x(0)＝0，U0＝0，因此，可以基于ε0、S、d1、d2、εr1、εr2、σ、x(0)、U0利用公式(9)计算得到Q0，其中，Q0＝0。
针对第二种情况：x(0)＝d,d≠0，当摩擦发电机外接电阻R处于通路情况时，初始时刻电压U0＝0，当第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(0)＝d,d≠0，可以基于ε0、S、d1、d2、εr1、εr2、σ、x(0)、U0利用公式(9)计算得到Q0。
步骤S220：获取第j个时刻第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(j)，基于ε0、S、d1、d2、εr1、εr2、σ、x(j)、Qj-1利用如下公式(1)计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj：
Figure BDA0001270407550000081
其中，
Figure BDA0001270407550000082
摩擦发电机在受到外力作用后，摩擦发电机的各层在压力作用下会发生状态变化；当外力消失后，摩擦发电机的各层的恢复到原来的状态。摩擦发电机的各层状态变化和恢复过程中，第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(j)是实时变化的，因此，在计算摩擦发电机的输出电压和输出电流时，需要先获取第j个时刻第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(j)，其中，j为大于或等于1的整数。
具体地，可以基于真空介电常数ε0、S、x(j)、σ、d1、d2、εr1、εr2、Qj-1计算第一摩擦部件处的场强
Figure BDA0001270407550000083
第一摩擦部件和第二摩擦部件之间的场强
Figure BDA0001270407550000084
以及第二摩擦部件处的场强
Figure BDA0001270407550000085
其中，摩擦发电机的输出电压U＝E1d1+E2d2+Eairx(j)，因此，可以计算得到摩擦发电机第j个时刻的输出电压
Figure BDA0001270407550000086
其中，
Figure BDA0001270407550000087
而Qj则是采用以下公式(3)和(4)计算得到：
Figure BDA0001270407550000088
Figure BDA0001270407550000089
其中，1≤i≤j，dt为时间步长，
Figure BDA00012704075500000810
由于公式(3)中dQj是通过Uj求得的，因此，无法用Qj求得Uj。而在实际计算中dQj相对于Qj较小，对Qj值影响不大，设定Qj-1近似等于Qj值，因此，利用Qj-1代替Qj来计算Uj。因此，在本发明实施例中，是利用j-1个时刻摩擦发电机在第一摩擦部件和第二摩擦部件之间产生的电荷量Qj-1来计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压和电流的，无需计算第j个时刻在第一摩擦部件和第二摩擦部件之间产生的电荷量Qj，因此，简化了摩擦发电机的输出电压和输出电流的计算。
步骤S230：利用如下公式(2)计算摩擦发电机第j个时刻的输出电流Ij：
Figure BDA0001270407550000091
在根据步骤S220计算得到输出电压Uj后，可以基于输出电压Uj和电阻R利用如下公式(2)计算摩擦发电机第j个时刻的输出电流Ij：
Figure BDA0001270407550000092
其中，Ij为摩擦发电机在第j个时刻输出的平均电流值。
步骤S240：基于摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj利用如下公式(3)和(4)计算第j个时刻摩擦发电机上感应出的电荷量Qj：
Figure BDA0001270407550000093
Figure BDA0001270407550000094
其中，dt为时间步长，
Figure BDA0001270407550000095
第j-1个时刻的输出电压Uj-1是已知的，在根据上述步骤计算得到摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj后，可以根据公式(3)求得dQj，然后再根据公式(4)求得Qj。
步骤S250，将j赋值为j+1。
步骤S260，判断j是否等于n，若是，则执行步骤S270；若否，则执行步骤S220。
举例说明，在根据步骤S210计算得到Q0之后，可以根据Q0计算U1，然后根据U1计算Q1，基于输出电压U1和电阻R，计算摩擦发电机第1个时刻的输出电流I1，将j赋值为2，再根据Q1计算U2，直至j等于n结束。
步骤S270，输出第n个时刻的摩擦发电机的输出电压Un、输出电流In。
本发明提供的摩擦发电机输出电能的计算方法适用于图4和图5所示摩擦发电机，下面将结合具体的摩擦发电机实例介绍摩擦发电机输出电能的计算方法：
图4为本发明提供的摩擦发电机实施例一的结构示意图。如图4所示，摩擦发电机包括第一摩擦部件和第二摩擦部件，其中，第一摩擦部件包括第一电极410；第二摩擦部件包括第二电极420和第一高分子聚合物绝缘层430；第一高分子聚合物绝缘层430和第一电极410之间形成摩擦界面；第一电极410和第二电极420为摩擦发电机的电信号输出端；第一电极410作为摩擦材料时，d1＝0。
在本实施例中，第一电极既作为摩擦材料又作为电信号输出端，由于第一电极厚度很小，因此，第一电极作为摩擦材料，计算该摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj和输出电流Ij时，认定d1＝0，此时，
Figure BDA0001270407550000101
因此，仅需要获取第一高分子聚合物绝缘层的厚度d2，然后，根据如下公式计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj。计算方法与步骤S200-步骤S270类似，这里不再赘述。
图5为本发明提供的摩擦发电机实施例二的结构示意图。如图5所示，摩擦发电机包括第一摩擦部件和第二摩擦部件，其中，第一摩擦部件包括第一电极510和第二高分子聚合物绝缘层520；第二摩擦部件包括第二电极530和第一高分子聚合物绝缘层540；第一高分子聚合物绝缘层540和第二高分子聚合物绝缘层530之间形成摩擦界面；第一电极510和第二电极530为摩擦发电机的电信号输出端。
在本实施例中，第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层作为摩擦材料，其中，第二高分子聚合物绝缘层和第一高分子聚合物绝缘层的厚度d1、d2。因此，可以采用步骤S200-步骤S270来计算该摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj和输出电流Ij，这里不再赘述。
根据本发明上述实施例提供的方法，利用第j-1个时刻摩擦发电机在第一摩擦部件和第二摩擦部件之间产生的电荷量Qj-1来计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj和输出电流Ij，简化了计算量，从而能够简单有效的计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj和输出电流Ij。
图3示出了根据本发明另一个实施例的摩擦发电机输出电能的计算方法的流程示意图。如图3所示，该方法包括以下步骤：
步骤S300：获取摩擦发电机摩擦表面相对面积S、第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的厚度d1、d2，第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的相对介电常数εr1、εr2，以及第一摩擦部件和第二摩擦部件表面的静电荷密度σ。
对于一摩擦发电机，其摩擦表面相对面积S、第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的厚度d1、d2，第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的相对介电常数εr1、εr2以及第一摩擦部件和第二摩擦部件表面的静电荷密度σ是固定的。也就是说，在后续计算任一时刻的输出电压Uj和输出电流Ij时，这些参数都是不变的，其中，j为大于或等于1的整数。
其中，摩擦表面相对面积S、第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的厚度d1、d2可以利用直尺等测量得到，第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的相对介电常数εr1、εr2可以利用介电常数测试仪测量得到，第一摩擦部件和第二摩擦部件表面的静电荷密度σ可以利用静电计测量得到。
在本发明实施例中，是利用第j-1个时刻摩擦发电机在第一摩擦部件和第二摩擦部件之间产生的电荷量Qj-1来计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj和输出电流Ij，其中，j为大于或等于1的整数，因此，需要先计算初始时刻的电荷量Q0，具体地，可以采用如下方法计算Q0：
步骤S310，获取初始时刻第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(0)，基于ε0、S、d1、d2、εr1、εr2、σ、x(0)、U0利用公式(9)计算得到Q0，其中，初始时刻U0＝0：
Figure BDA0001270407550000111
其中，
Figure BDA0001270407550000112
在计算Q0之前，还需要获取初始时刻第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(0)，我们知道，在初始时刻，摩擦发电机的输出电压U0＝0，由此，可以根据ε0、S、d1、d2、εr1、εr2、σ、x(0)、U0利用公式(9)计算得到Q0。
在本发明实施例中，第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(0)包含两种情况，第一种情况：x(0)＝0；第二种情况：x(0)＝d,d≠0，针对两种情况，得到两个不同的Q0。
针对第一种情况，x(0)＝0，U0＝0，因此，可以基于ε0、S、d1、d2、εr1、εr2、σ、x(0)、U0利用公式(9)计算得到Q0，其中，Q0＝0。
针对第二种情况：x(0)＝d,d≠0，当摩擦发电机外接电阻R处于通路情况时，初始时刻电压U0＝0，当第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(0)＝d,d≠0，可以基于ε0、S、d1、d2、εr1、εr2、σ、x(0)、U0利用公式(9)计算得到Q0。
步骤S320：获取第j个时刻第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(j)，基于ε0、S、d1、d2、εr1、εr2、σ、x(j)、Qj-1利用如下公式(1)计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj：
Figure BDA0001270407550000121
其中，
Figure BDA0001270407550000122
摩擦发电机在受到外力作用后，摩擦发电机的各层在压力作用下会发生状态变化；当外力消失后，摩擦发电机的各层的恢复到原来的状态。摩擦发电机的各层状态变化和恢复过程中，第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(j)是实时变化的，因此，在计算摩擦发电机的输出电压和输出电流时，需要先获取第j个时刻第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(j)，其中，j为大于或等于1的整数。
具体地，可以基于真空介电常数ε0、S、x(j)、σ、d1、d2、εr1、εr2、Qj-1计算第一摩擦部件处的场强
Figure BDA0001270407550000123
第一摩擦部件和第二摩擦部件之间的场强
Figure BDA0001270407550000124
以及第二摩擦部件处的场强
Figure BDA0001270407550000125
其中，摩擦发电机的输出电压U＝E1d1+E2d2+Eairx(j)，因此，可以计算得到摩擦发电机第j个时刻的输出电压
Figure BDA0001270407550000126
其中，
Figure BDA0001270407550000127
而Qj则是采用以下公式(3)和(4)计算得到：
Figure BDA0001270407550000128
Figure BDA0001270407550000129
其中，dt为时间步长，
Figure BDA00012704075500001210
由于公式(3)中dQj是通过Uj求得的，因此，无法用Qj求得Uj。而在实际计算中dQj相对于Qj较小，对Qj值影响不大，设定Qj-1近似等于Qj值，因此，利用Qj-1代替Qj来计算Uj。因此，在本发明实施例中，是利用j-1个时刻摩擦发电机在第一摩擦部件和第二摩擦部件之间产生的电荷量Qj-1来计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压和电流的，无需计算第j个时刻在第一摩擦部件和第二摩擦部件之间产生的电荷量Qj，因此，简化了摩擦发电机的输出电压和输出电流的计算。
步骤S330：基于输出电压Uj和电阻R利用如下公式(2)计算摩擦发电机第j个时刻的输出电流Ij：
Figure BDA0001270407550000131
其中，Ij为摩擦发电机在第j个时刻输出的平均电流值。
步骤S340：基于摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj利用如下公式(3)和(4)计算第j个时刻摩擦发电机上感应出的电荷量Qj：
Figure BDA0001270407550000132
Figure BDA0001270407550000133
其中，dt为时间步长，
Figure BDA0001270407550000134
第j-1个时刻的输出电压Uj-1是已知的，在根据上述步骤计算得到摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj后，可以根据公式(3)求得dQj，然后再根据公式(4)求得Qj。
然而，利用步骤S300-步骤S340计算得到的摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj和输出电流Ij是一个近似值，为了提高计算精度，可以利用如下方法步骤计算Qj，再根据Qj计算U′j，从而可以得到更为精确的电压值：
步骤S350：基于第j个时刻摩擦发电机上感应出的电荷量Qj利用如下公式(5)计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压U′j：
Figure BDA0001270407550000135
其中，
Figure BDA0001270407550000136
在根据步骤S340计算得到Qj之后，可以对输出电压进行修正，具体地，可以根据Qj计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压U′j，由于是根据Qj计算U′j的，因此，所得到的输出电压的电压值更为精确。
在对输出电压进行修正后，还可以对输出电流进行修正，以得到更为精确的输出电流的电流值，具体可以采用如下方法修正输出电流：
步骤S360：基于输出电压U′j和电阻R利用如下公式(6)计算摩擦发电机第j个时刻的输出电流I′j：
Figure BDA0001270407550000137
本发明实施例利用步骤S350和步骤S360对输出电压和输出电流进行了修正，得到了更为精确的输出电压和输出电流，为了提升下一个时刻输出电压计算的准确性，本发明实施例还可以根据修正后的输出电压对第j个时刻摩擦发电机上感应出的电荷量进行修正，具体可以采用如下方法：
步骤S370：基于摩擦发电机第j个时刻的输出电压U′j利用如下公式(7)和(8)计算第j个时刻摩擦发电机上感应出的电荷量Q′j：
Figure BDA0001270407550000141
Figure BDA0001270407550000142
步骤S380，将Q′j的值赋予Qj，j赋值为j+1。
步骤S390，判断j是否等于n，若是，则执行步骤S391；若否，则执行步骤S320。
将Q′j的值赋予Qj和j赋值为j+1之后，利用赋值后的Qj-1计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj，可以进一步提高输出电压计算的准确性，进一步缩小利用Qj-1计算得到的输出电压Uj与真实输出电压的误差。
步骤S391：输出第n个时刻的摩擦发电机的输出电压U′n、输出电流I′n。
本发明提供的摩擦发电机输出电能的计算方法适用于图4和图5所示摩擦发电机，下面将结合具体的摩擦发电机实例介绍摩擦发电机输出电能的计算方法：
图4为本发明提供的摩擦发电机实施例一的结构示意图。如图4所示，摩擦发电机包括第一摩擦部件和第二摩擦部件，其中，第一摩擦部件包括第一电极410；第二摩擦部件包括第二电极420和第一高分子聚合物绝缘层430；第一高分子聚合物绝缘层430和第一电极410之间形成摩擦界面；第一电极410和第二电极420为摩擦发电机的电信号输出端；第一电极410作为摩擦材料时，d1＝0。
在本实施例中，第一电极既作为摩擦材料又作为电信号输出端，由于第一电极厚度很小，因此，第一电极作为摩擦材料，计算该摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj和输出电流Ij时，认定d1＝0，此时，
Figure BDA0001270407550000143
因此，仅需要获取第一高分子聚合物绝缘层的厚度d2，然后，根据如下公式计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj。计算方法与步骤S300-步骤S391类似，这里不再赘述。
图5为本发明提供的摩擦发电机实施例二的结构示意图。如图5所示，摩擦发电机包括第一摩擦部件和第二摩擦部件，其中，第一摩擦部件包括第一电极510和第二高分子聚合物绝缘层520；第二摩擦部件包括第二电极530和第一高分子聚合物绝缘层540；第一高分子聚合物绝缘层540和第二高分子聚合物绝缘层530之间形成摩擦界面；第一电极510和第二电极530为摩擦发电机的电信号输出端。
在本实施例中，第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层作为摩擦材料，其中，第二高分子聚合物绝缘层和第一高分子聚合物绝缘层的厚度d1、d2。因此，可以采用步骤S300-步骤S391来计算该摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj和输出电流Ij，这里不再赘述。
根据本发明上述实施例提供的方法，利用第j-1个时刻摩擦发电机在第一摩擦部件和第二摩擦部件之间产生的电荷量Qj-1来计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj和输出电流Ij，简化了计算量，从而能够简单有效的计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj和输出电流Ij，在利用Qj-1计算得到Uj之后，还可以根据Uj计算得到Qj，再根据Qj计算U′j、I′j，再根据U′j计算Q′j，将Q′j的值赋予Qj，j赋值为j+1，然后再根据Qj-1计算Uj，可以得到更为精确的电压值，从而提高了计算精度。
图6示出了根据本发明一个实施例的用于计算摩擦发电机输出电能的装置的结构示意图。如图6所示，该装置600包括：获取模块610、初始值计算模块620、输出电能计算模块630、赋值模块640和输出模块650。
获取模块610，用于获取摩擦发电机摩擦表面相对面积S、第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的厚度d1、d2，第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的相对介电常数εr1、εr2，以及第一摩擦部件和第二摩擦部件表面的静电荷密度σ。
对于一摩擦发电机，其摩擦表面相对面积S、第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的厚度d1、d2，第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的相对介电常数εr1、εr2以及第一摩擦部件和第二摩擦部件表面的静电荷密度σ是固定的。
其中，摩擦表面相对面积S、第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的厚度d1、d2可以利用直尺等测量得到，第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的相对介电常数εr1、εr2可以利用介电常数测试仪测量得到，第一摩擦部件和第二摩擦部件表面的静电荷密度σ可以利用静电计测量得到。
初始值计算模块620，用于获取初始时刻第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(0)，根据真空介电常数ε0、S、d1、d2、εr1、εr2、σ、x(0)、U0计算初始时刻摩擦发电机上感应出的电荷量Q0，其中，初始时刻U0＝0。
在计算Q0之前，还需要获取初始时刻第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(0)，我们知道，在初始时刻，摩擦发电机的输出电压U0＝0，由此，可以根据ε0、S、d1、d2、εr1、εr2、σ、x(0)、U0计算初始时刻摩擦发电机上感应出的电荷量Q0。
输出电能计算模块630，用于获取第j个时刻第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(j)，基于ε0、S、d1、d2、εr1、εr2、σ、x(j)、Qj-1计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj，根据Uj计算Qj，基于输出电压Uj和电阻R，计算摩擦发电机第j个时刻的输出电流Ij；输出电能计算模块重复执行n次，其中j为大于或等于1的整数。
摩擦发电机在受到外力作用后，摩擦发电机的各层在压力作用下会发生状态变化；当外力消失后，摩擦发电机的各层的恢复到原来的状态。摩擦发电机的各层状态变化和恢复过程中，第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(j)是实时变化的，因此，在计算摩擦发电机的输出电压和输出电流之前时，需要先获取第j个时刻第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(j)。
在获取到第j个时刻第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(j)之后，基于ε0、S、d1、d2、εr1、εr2、σ、x(j)、Qj-1计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj，根据Uj计算Qj，在计算得到Uj之后，基于输出电压Uj和电阻R，计算摩擦发电机第j个时刻的输出电流Ij，其中，输出电能计算模块重复执行n次，Uj为摩擦发电机在第j个时刻输出的平均电压值，Ij为摩擦发电机在第j个时刻输出的平均电流值，j为大于或等于1的整数。
举例说明，在计算得到Q0之后，可以根据Q0计算U1，然后根据U1计算Q1，基于输出电压U1和电阻R，计算摩擦发电机第1个时刻的输出电流I1，将j赋值为2，再根据Q1计算U2，直至j等于n结束。
赋值模块640，用于将j赋值为j+1。
输出模块650，用于n个时刻的摩擦发电机的输出电压Un、输出电流In。
可选地，输出电能计算模块630进一步用于：基于ε0、S、d1、d2、εr1、εr2、σ、x(j)、Qj-1利用如下公式(1)计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj：
Figure BDA0001270407550000171
其中，
Figure BDA0001270407550000172
可选地，输出电能计算模块630进一步用于：基于输出电压Uj和电阻R利用如下公式(2)计算摩擦发电机第j个时刻的输出电流Ij：
Figure BDA0001270407550000173
可选地，输出电能计算模块630进一步用于：基于摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj利用如下公式(3)和(4)计算第j个时刻摩擦发电机上感应出的电荷量Qj：
Figure BDA0001270407550000174
Figure BDA0001270407550000175
可选地，初始值计算模块620进一步用于：利用公式(9)计算得到Q0：
Figure BDA0001270407550000176
其中，
Figure BDA0001270407550000177
本发明提供的用于计算摩擦发电机输出电能的装置适用于图4和图5所示摩擦发电机，下面将结合具体的摩擦发电机实例介绍用于计算摩擦发电机输出电能的装置：
图4为本发明提供的摩擦发电机实施例一的结构示意图。如图4所示，摩擦发电机包括第一摩擦部件和第二摩擦部件，其中，第一摩擦部件包括第一电极410；第二摩擦部件包括第二电极420和第一高分子聚合物绝缘层430；第一高分子聚合物绝缘层430和第一电极410之间形成摩擦界面；第一电极410和第二电极420为摩擦发电机的电信号输出端；第一电极410作为摩擦材料时，d1＝0。
在本实施例中，第一电极既作为摩擦材料又作为电信号输出端，由于第一电极厚度很小，因此，第一电极作为摩擦材料，计算该摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj和输出电流Ij时，认定d1＝0，此时，
Figure BDA0001270407550000181
因此，仅需要获取第一高分子聚合物绝缘层的厚度d2，然后，计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj，这里不再赘述。
图5为本发明提供的摩擦发电机实施例二的结构示意图。如图5所示，摩擦发电机包括第一摩擦部件和第二摩擦部件，其中，第一摩擦部件包括第一电极510和第二高分子聚合物绝缘层520；第二摩擦部件包括第二电极530和第一高分子聚合物绝缘层540；第一高分子聚合物绝缘层540和第二高分子聚合物绝缘层530之间形成摩擦界面；第一电极510和第二电极530为摩擦发电机的电信号输出端。
在本实施例中，第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层作为摩擦材料，其中，第二高分子聚合物绝缘层和第一高分子聚合物绝缘层的厚度d1、d2。然后，计算该摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj和输出电流Ij，这里不再赘述。
根据本发明上述实施例提供的装置，利用第j-1个时刻摩擦发电机在第一摩擦部件和第二摩擦部件之间产生的电荷量Qj-1来计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj和输出电流Ij，简化了计算量，从而能够简单有效的计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj和输出电流Ij。
图7示出了根据本发明另一个实施例的用于计算摩擦发电机输出电能的装置的结构示意图。如图7所示，该装置700包括：获取模块710、初始值计算模块720、输出电能计算模块730、输出电能修正模块740、赋值模块750和输出模块760。
获取模块710，用于获取摩擦发电机摩擦表面相对面积S、第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的厚度d1、d2，第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的相对介电常数εr1、εr2，以及第一摩擦部件和第二摩擦部件表面的静电荷密度σ。
对于一摩擦发电机，其摩擦表面相对面积S、第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的厚度d1、d2，第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的相对介电常数εr1、εr2以及第一摩擦部件和第二摩擦部件表面的静电荷密度σ是固定的。
其中，摩擦表面相对面积S、第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的厚度d1、d2可以利用直尺等测量得到，第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的相对介电常数εr1、εr2可以利用介电常数测试仪测量得到，第一摩擦部件和第二摩擦部件表面的静电荷密度σ可以利用静电计测量得到。
初始值计算模块720，用于获取初始时刻第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(0)，根据真空介电常数ε0、S、d1、d2、εr1、εr2、σ、x(0)、U0利用公式(9)计算得到Q0：
Figure BDA0001270407550000191
其中，
Figure BDA0001270407550000192
初始时刻U0＝0。
在计算Q0之前，还需要获取初始时刻第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(0)，我们知道，在初始时刻，摩擦发电机的输出电压U0＝0，由此，可以根据ε0、S、d1、d2、εr1、εr2、σ、x(0)、U0计算初始时刻摩擦发电机上感应出的电荷量Q0。
输出电能计算模块730，用于基于ε0、S、d1、d2、εr1、εr2、σ、x(j)、Qj-1利用如下公式(1)计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj：
Figure BDA0001270407550000193
其中，
Figure BDA0001270407550000194
输出电能计算模块730进一步用于：基于输出电压Uj和电阻R利用如下公式(2)计算摩擦发电机第j个时刻的输出电流Ij：
Figure BDA0001270407550000195
输出电能计算模块730进一步用于：基于摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj利用如下公式(3)和(4)计算第j个时刻摩擦发电机上感应出的电荷量Qj：
Figure BDA0001270407550000201
Figure BDA0001270407550000202
输出电能修正模块740，用于基于第j个时刻摩擦发电机上感应出的电荷量Qj利用如下公式(5)计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压U′j：
Figure BDA0001270407550000203
其中，
Figure BDA0001270407550000204
输出电能修正模块740进一步用于：基于输出电压U′j和电阻R利用如下公式(6)计算摩擦发电机第j个时刻的输出电流I′j：
Figure BDA0001270407550000205
输出电能修正模块740进一步用于：基于摩擦发电机第j个时刻的输出电压U′j利用如下公式(7)和(8)计算第j个时刻摩擦发电机上感应出的电荷量Q′j：
Figure BDA0001270407550000206
Figure BDA0001270407550000207
赋值模块750，用于将Q′j的值赋予Qj，j赋值为j+1。
其中，输出电能计算模块和输出电能修正模块重复执行n次。
输出模块760，用于输出第n个时刻的摩擦发电机的输出电压U′n、输出电流I′n。
本发明提供的用于计算摩擦发电机输出电能的装置适用于图4和图5所示摩擦发电机，下面将结合具体的摩擦发电机实例介绍用于计算摩擦发电机输出电能的装置：
图4为本发明提供的摩擦发电机实施例一的结构示意图。如图4所示，摩擦发电机包括第一摩擦部件和第二摩擦部件，其中，第一摩擦部件包括第一电极410；第二摩擦部件包括第二电极420和第一高分子聚合物绝缘层430；第一高分子聚合物绝缘层430和第一电极410之间形成摩擦界面；第一电极410和第二电极420为摩擦发电机的电信号输出端；第一电极410作为摩擦材料时，d1＝0。
在本实施例中，第一电极既作为摩擦材料又作为电信号输出端，由于第一电极厚度很小，因此，第一电极作为摩擦材料，计算该摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj和输出电流Ij时，认定d1＝0，此时，
Figure BDA0001270407550000211
因此，仅需要获取第一高分子聚合物绝缘层的厚度d2，然后，计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj，这里不再赘述。
图5为本发明提供的摩擦发电机实施例二的结构示意图。如图5所示，摩擦发电机包括第一摩擦部件和第二摩擦部件，其中，第一摩擦部件包括第一电极510和第二高分子聚合物绝缘层520；第二摩擦部件包括第二电极530和第一高分子聚合物绝缘层540；第一高分子聚合物绝缘层540和第二高分子聚合物绝缘层530之间形成摩擦界面；第一电极510和第二电极530为摩擦发电机的电信号输出端。
在本实施例中，第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层作为摩擦材料，其中，第二高分子聚合物绝缘层和第一高分子聚合物绝缘层的厚度d1、d2。然后，计算该摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj和输出电流Ij，这里不再赘述。
根据本发明上述实施例提供的装置，利用第j-1个时刻摩擦发电机在第一摩擦部件和第二摩擦部件之间产生的电荷量Qj-1来计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj和输出电流Ij，简化了计算量，从而能够简单有效的计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj和输出电流Ij，在利用Qj-1计算得到Uj之后，还可以根据Uj计算得到Qj，再根据Qj计算U′j、I′j，再根据U′j计算Q′j，将Q′j的值赋予Qj，然后再根据Qj-1计算Uj，可以得到更为精确的电压值，从而提高了计算精度。
图8示出了根据本发明一个实施例的用于计算摩擦发电机输出电能的系统的结构示意图。如图8所示，该系统800包括：用于计算摩擦发电机输出电能的装置600和摩擦发电机810。
其中，摩擦发电机包括：第一摩擦部件和第二摩擦部件，摩擦发电机具有两个电信号输出端，两个电信号输出端分别与对应的输出导线连接外接电阻R形成通路。
在本发明提供的摩擦发电机一种实施例中，摩擦发电机包括第一摩擦部件和第二摩擦部件，其中，第一摩擦部件包括第一电极；第二摩擦部件包括第二电极和第一高分子聚合物绝缘层；第一高分子聚合物绝缘层和第一电极之间形成摩擦界面；第一电极和第二电极为摩擦发电机的电信号输出端；第一电极作为摩擦材料时，d1＝0。
在本发明提供的摩擦发电机一种实施例中，第一摩擦部件包括第一电极和第二高分子聚合物绝缘层；第二摩擦部件包括第二电极和第一高分子聚合物绝缘层；第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层之间形成摩擦界面；第一电极和第二电极为摩擦发电机的电信号输出端。
根据本发明上述实施例提供的系统，利用第j-1个时刻摩擦发电机在第一摩擦部件和第二摩擦部件之间产生的电荷量Qj-1来计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj和输出电流Ij，简化了计算量，从而能够简单有效的计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj和输出电流Ij。
最后，需要注意的是：以上列举的仅是本发明的具体实施例子，当然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种摩擦发电机输出电能的计算方法，其特征在于，所述方法应用于包括第一摩擦部件和第二摩擦部件的摩擦发电机，所述摩擦发电机具有两个电信号输出端，所述两个电信号输出端分别与对应的输出导线连接外接电阻R形成通路；所述方法包括：
步骤S100，获取摩擦发电机摩擦表面相对面积S、第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的厚度d1、d2，第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的相对介电常数εr1、εr2，以及第一摩擦部件和第二摩擦部件表面的静电荷密度σ；
步骤S110，获取初始时刻第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(0)，根据真空介电常数ε0、S、d1、d2、εr1、εr2、σ、x(0)以及初始时刻电压U0计算初始时刻摩擦发电机上感应出的电荷量Q0，其中，初始时刻U0＝0；
步骤S120，获取第j个时刻第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(j)，基于ε0、S、d1、d2、εr1、εr2、σ、x(j)、Qj-1利用如下公式(1)计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj；基于摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj利用如下公式(3)和(4)计算第j个时刻摩擦发电机上感应出的电荷量Qj；基于所述输出电压Uj和电阻R利用如下公式(2)计算摩擦发电机第j个时刻的输出电流Ij；将j赋值为j+1，重复执行所述步骤S120，直至j等于n结束，其中j为大于或等于1的整数；
Figure FDA0002611294020000011
其中，
Figure FDA0002611294020000012
Figure FDA0002611294020000013
Figure FDA0002611294020000014
Figure FDA0002611294020000015
步骤S130，输出第n个时刻的摩擦发电机的输出电压Un、输出电流In。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：基于第j个时刻摩擦发电机上感应出的电荷量Qj利用如下公式(5)计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压U′j：
Figure FDA0002611294020000021
基于所述输出电压U′j和电阻R利用如下公式(6)计算摩擦发电机第j个时刻的输出电流I′j：
Figure FDA0002611294020000022
所述步骤S130具体为：输出第n个时刻的摩擦发电机的输出电压U′n、输出电流I′n；
其中，
Figure FDA0002611294020000023
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：基于摩擦发电机第j个时刻的输出电压U′j利用如下公式(7)和(8)计算第j个时刻摩擦发电机上感应出的电荷量Q′j：
Figure FDA0002611294020000024
Figure FDA0002611294020000025
将Q′j的值赋予Qj，计算摩擦发电机第j+1个时刻的输出电压Uj+1。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述第一摩擦部件包括第一电极；所述第二摩擦部件包括第二电极和第一高分子聚合物绝缘层；所述第一高分子聚合物绝缘层和第一电极之间形成摩擦界面；所述第一电极和所述第二电极为摩擦发电机的电信号输出端；
所述第一电极作为摩擦材料时，d1＝0。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S110进一步包括：
利用公式(9)计算得到Q0：
Figure FDA0002611294020000026
其中，
Figure FDA0002611294020000027
6.一种用于计算摩擦发电机输出电能的装置，其特征在于，所述装置应用于包括第一摩擦部件和第二摩擦部件的摩擦发电机，所述摩擦发电机具有两个电信号输出端，所述两个电信号输出端分别与对应的输出导线连接外接电阻R形成通路；所述装置包括：
获取模块，用于获取摩擦发电机摩擦表面相对面积S、第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的厚度d1、d2，第一摩擦部件和第二摩擦部件中作为摩擦材料的部件的相对介电常数εr1、εr2，以及第一摩擦部件和第二摩擦部件表面的静电荷密度σ；
初始值计算模块，用于获取初始时刻第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(0)，根据真空介电常数ε0、S、d1、d2、εr1、εr2、σ、x(0)以及初始时刻电压U0计算初始时刻摩擦发电机上感应出的电荷量Q0，其中，初始时刻U0＝0；
输出电能计算模块，用于获取第j个时刻第一摩擦部件和第二摩擦部件之间距离x(j)，基于ε0、S、d1、d2、εr1、εr2、σ、x(j)、Qj-1利用如下公式(1)计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj；基于摩擦发电机第j个时刻的输出电压Uj利用如下公式(3)和(4)计算第j个时刻摩擦发电机上感应出的电荷量Qj；基于所述输出电压Uj和电阻R利用如下公式(2)计算摩擦发电机第j个时刻的输出电流Ij；所述输出电能计算模块重复执行n次，其中j为大于或等于1的整数；
Figure FDA0002611294020000031
其中，
Figure FDA0002611294020000032
Figure FDA0002611294020000033
Figure FDA0002611294020000034
Figure FDA0002611294020000035
赋值模块，用于将j赋值为j+1；
输出模块，用于输出第n个时刻的摩擦发电机的输出电压Un、输出电流In。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：输出电能修正模块，用于基于第j个时刻摩擦发电机上感应出的电荷量Qj利用如下公式(5)计算摩擦发电机第j个时刻的输出电压U′j：
Figure FDA0002611294020000036
基于所述输出电压U′j和电阻R利用如下公式(6)计算摩擦发电机第j个时刻的输出电流I′j：
Figure FDA0002611294020000041
所述输出模块具体用于：输出第n个时刻的摩擦发电机的输出电压U′n、输出电流I′n；
其中，
Figure FDA0002611294020000042
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述输出电能修正模块进一步用于：基于摩擦发电机第j个时刻的输出电压U′j利用如下公式(7)和(8)计算第j个时刻摩擦发电机上感应出的电荷量Q′j：
Figure FDA0002611294020000043
Figure FDA0002611294020000044
所述赋值模块还用于：将Q′j的值赋予Qj。
9.根据权利要求6-8任一项所述的装置，其特征在于，所述第一摩擦部件包括第一电极；所述第二摩擦部件包括第二电极和第一高分子聚合物绝缘层；所述第一高分子聚合物绝缘层和第一电极之间形成摩擦界面；所述第一电极和所述第二电极为摩擦发电机的电信号输出端；
所述第一电极作为摩擦材料时，d1＝0。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述初始值计算模块进一步用于：利用公式(9)计算得到Q0：
Figure FDA0002611294020000045
其中，
Figure FDA0002611294020000046
11.一种用于计算摩擦发电机输出电能的系统，其特征在于，所述系统包括：权利要求6-10任一项所述的用于计算摩擦发电机输出电能的装置和摩擦发电机；
所述摩擦发电机包括：第一摩擦部件和第二摩擦部件，所述摩擦发电机具有两个电信号输出端，所述两个电信号输出端分别与对应的输出导线连接外接电阻R形成通路。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述第一摩擦部件包括第一电极和第二高分子聚合物绝缘层；所述第二摩擦部件包括第二电极和第一高分子聚合物绝缘层；所述第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层之间形成摩擦界面；所述第一电极和所述第二电极为摩擦发电机的电信号输出端。
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