CN109391168B - 气动摩擦纳米发电机、气动系统中的传感器和传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的气动摩擦纳米发电机，包括气动系统中的缸体和活塞，以及摩擦发电部件，其中，活塞设置在缸体内，相对于缸体可以滑动；摩擦发电部件包括第一摩擦层和第二摩擦层，分别设置在活塞外侧壁和缸体内侧壁，第一摩擦层和第二摩擦层的上表面的材料存在摩擦电负性差异；活塞相对于缸体滑动时，使第一摩擦层和第二摩擦层相对滑动并且接触面积发生变化，摩擦发电部件产生电信号。还提供一种气动系统中的传感器和传感方法。本发明的发电机可以将气动系统中的流体和活塞等产生的压力能或机械能转化为电能，为气动系统中低功耗传感器提供一种持续的供能装置，还可以作为气动系统监测的自驱动传感器，用于气动系统中各功能部件工作状态的监测。

Description

气动摩擦纳米发电机、气动系统中的传感器和传感方法

技术领域

本发明涉及摩擦发电技术领域，具体地，涉及一种气动摩擦纳米发电机、气动系统中的传感器和传感方法。

背景技术

随着气动系统智能化水平的不断提高，并伴随着其与互联网技术的深度融合，大量的低功耗传感器被广泛应用到气动系统中，用于监测气动系统中各功能部件的工作状态。对各传感器进行稳定、可靠的持续供电，是保证其正常工作的前提。然而，和这些低功耗传感器相匹配的电源供能系统的研究却相对滞后，当前气动系统低功耗传感器的供能方式主要包括电源直接供电和化学电池供电两种方式。其中，电源直接供电方式存在电磁干扰严重、系统布线复杂等问题，而化学电池供电方式则存在电池使用寿命有限、需定期更换以及环境污染等不足。因此，需开发出一种用于低功耗传感器供能的新型能源供给技术以解决传统供能技术所带来的诸多弊端。

另一方面，气动系统中广泛使用的基于声波、压阻、静电电容等原理的压力与流量传感器以及基于霍尔效应的位置检测传感器，已经取得了一些研究成果，但是大多数传感器工作原理以及制作工艺复杂，无法实时的对气动系统中各功能部件的工作状态进行监测。且传感器多采用外置式安装，集成度低，同时需要外接电源供能，具有一定的使用局限性。

发明内容

本发明公开一种气动摩擦纳米发电机和气动系统中的传感器以及传感方法，可以将气动系统中的流体和活塞等产生的压力能或机械能转化为电能，为气动系统中低功耗传感器提供一种持续的供能装置，还可以作为气动系统监测的自驱动传感器，用于气动系统中各功能部件的工作状态的监测。

为了实现上述目的，本发明提供一种气动摩擦纳米发电机，包括气动系统中的缸体、和活塞，以及摩擦发电部件，其中，

所述活塞设置在所述缸体内，相对于所述缸体可以滑动；

所述摩擦发电部件包括第一摩擦层和第二摩擦层，分别设置在所述活塞外侧壁和所述缸体内侧壁，所述第一摩擦层和第二摩擦层的上表面的材料存在摩擦电负性差异；所述活塞相对于所述缸体滑动时，带动所述第一摩擦层和第二摩擦层相对滑动并且接触面积发生变化，所述摩擦发电部件产生电信号。

优选的，所述第二摩擦层的形状为沿所述缸体的轴线方向面积变化的结构。

优选的，所述第二摩擦层为单层结构，采用导体材料；所述第二摩擦层连接至大地，或者连接至其他导体。

优选的，所述第二摩擦层为多层复合结构，包括第二导电层与第二介质层的层叠结构，所述第二介质层为所述第二摩擦层的上表面，所述第二导电层连接至大地，或者连接至其他导体。

优选的，所述第一摩擦层为多层复合结构，包括第一导电层与第一介质层的层叠结构，第一介质层为所述第一摩擦层的上表面；

所述第二摩擦层为多层复合结构，包括第二导电层与第二介质层的层叠结构，所述第二介质层为所述第二摩擦层的上表面；

所述第一导电层和第二导电层分别连接至大地或者导体，或者第一导电层和第二导电层互相连接。

优选的，所述第二摩擦层为整体，或者为包括多个摩擦单元的图形化结构。

优选的，所述第二摩擦层包括多个摩擦单元，其中，

多个所述摩擦单元沿着所述缸体轴线方向依次排列；或者，多个所述摩擦单元沿着所述缸体轴线的垂直方向依次排列；

多个所述摩擦单元互相并联在一起，或者互相独立。

优选的，所述第二摩擦层包括若干个等腰三角形结构的导体薄膜，均布于缸体内壁，三角形的底边平行于左端盖，三角形的高与缸体的长度一致。

优选的，所述第一摩擦层为聚四氟乙烯薄膜，所述第二摩擦层为铜薄膜。

优选的，还包括左端盖和右端盖，所述左端盖设置有第一进气口，所述右端盖设置有第二进气口，所述右端盖设置有通孔，所述活塞的活塞杆可以在所述通孔中滑动，带动所述活塞在所述缸体内沿着左右方向滑动。

优选的，摩擦发电部件的第一摩擦层和活塞之间设置有弹性层；优选的，所述弹性层为海绵胶。

优选的，所述缸体的内表面与所述第二摩擦层之间设置有绝缘层。

相应的，本发明还提供一种气动系统中的传感器，采用权利要求1-12任一项中所述的发电机。

优选的，采用上述的传感器，预先测定气动系统中所述传感器的输出电压与活塞运动位置的关系曲线，通过检测获得所述活塞在待测定运动位置时的输出电压数据，根据所述输出电压数据和所述关系曲线确定所述活塞的运动位置。

优选的，采用上述的传感器，预先测定气动系统中所述传感器的输出电流与活塞运动速度的关系曲线，通过检测获得所述活塞在待测定运动速度时传感器的输出电流数据，根据所述输出电流数据和所述关系曲线确定所述活塞的运动速度。

相应的，还提供气动系统中气体流量的传感方法，采用权利要求13所述的传感器，预先测定气动系统中传感器的输出电流与气体流量的关系曲线，通过检测获得在待测定气体流量下所述传感器的输出电流数据，根据所述输出电流数据和所述关系曲线确定通入气体的流量。

优选的，采用上述的传感器，预先在一定条件下测定气动系统中传感器的输出电压与气体压力的关系曲线，通过检测获得在待测定气体压力下所述传感器的输出电压数据,根据所述输出电压数据和所述关系曲线确定气体的压力。

通过上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明公开的气动摩擦纳米发电机，将气动系统中的流体和活塞等产生的压力能或机械能转化为电能，将产生的电能经整流存储后为气动系统中低功耗传感器提供一种持续的供能装置。

采用本发明的气动摩擦纳米发电机作为气动系统中的传感器,在传感过程中，无需提供电源就可以自驱动的对气动系统监测，用于气动系统中各功能部件的工作状态的监测。可以检测活塞等功能部件的运动速度和位置，监测气体气压、流量等气源参数的实时值。

本发明提供的气动摩擦纳米发电机的传感器结构简单，成本低廉，性能稳定，可以在气体管路中大量使用，特别是在人员难以长期值守的偏远地区气体管路的维护和检测中有广阔的应用前景。

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为本发明气动摩擦纳米发电机结构剖面示意图；

图2为本发明气动摩擦纳米发电机缸体和活塞结构放大图；

图3为本发明气动摩擦纳米发电机沿轴线的垂线方向的截面示意图；

图4为本发明气动摩擦纳米发电机的电荷移动原理图；

图5(a)为本发明气动摩擦纳米发电机为电容充电电路图；图5(b)为本发明气动摩擦纳米发电机为电容充电曲线图；

图6为本发明气动摩擦纳米发电机和传感器监测活塞位置时输出电压与活塞位置的关系曲线；

图7为本发明气动摩擦纳米发电机和传感器监测活塞速度时输出电流与活塞速度的关系曲线；

图8为本发明气动摩擦纳米发电机和传感器监测气体流量时输出电流与气体流量的关系曲线；

图9为本发明气动摩擦纳米发电机和传感器监测气体压力时输出电压与气体压力的关系曲线。

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。

在本发明中，在未作相关说明的情况下，使用的方位词如“左、右”是指示图中的方向；“内”指朝向相应结构内部，“外”指朝向相应结构外部。

为对本发明的目的、技术方案和有益效果进行清楚、完整地描述，使本发明更充分的公开，下面结合附图，对本发明做进一步的详细说明。

本发明公开了一种将摩擦发电部件与气动系统中的活塞运动相结合的气动摩擦纳米发电机，包括气动系统中的缸体、设置在缸体内可以滑动的活塞，以及摩擦发电部件，其中，所述摩擦发电部件包括第一摩擦层和第二摩擦层，分别设置在活塞外侧壁和缸体内侧壁，活塞相对于缸体滑动时，带动所述第一摩擦层和第二摩擦层相对滑动并且接触面积发生变化时，所述摩擦发电部件产生电信号。该电信号可以为其他小型用电器提供电源，也可以作为气动系统监测的自驱动传感器，用于气动系统中各功能部件的工作状态的监测。

摩擦发电部件中的第一摩擦层和第二摩擦层互相滑动摩擦，产生电信号，将活塞与缸体之间的滑动机械能转变为电能。摩擦发电部件中第一摩擦层与第二摩擦层可以为多层或者单层，现有的两个部件互相摩擦将机械能转变为电能的摩擦发电机结构均可以适用在本发明中。

实施例一：

本实施例中以一个具体的摩擦发电部件为例，详细介绍本发明的气动摩擦纳米发电机。

图1为本发实施例气动摩擦纳米发电机结构剖面示意图。如图1所示，本发明的气动摩擦纳米发电机包括左端盖100、缸体200、右端盖300和活塞400。左端盖100和右端盖300分别与缸体200螺纹连接，活塞400设置在缸体200内部并且相对于缸体200可以滑动。左端盖100的侧面设置有第一进气口101，压缩气体可以由第一进气口101进入缸体200，作用在活塞400的左端面，使活塞400产生向右的滑动；左端盖100设置有外螺纹102，用于左端盖100和缸体200的紧固连接。右端盖300设置有第二进气口301，压缩气体也可以由第二进气口301进入缸体200，作用在活塞400的右端面，使活塞400产生向左的滑动；右端盖300设置有连接螺纹302，用于右端盖300和缸体200的紧固连接；所述右端盖300设置有通孔303，活塞400的活塞杆402可以在通孔303中滑动，带动活塞400在缸体200内沿着左右方向滑动。

图2为本实施例气动摩擦纳米发电机的缸体、活塞和摩擦发电机部件结构的放大图。如图2所示，所述缸体200的内表面设置有绝缘层201，所述绝缘层201均匀涂敷于缸体200内表面，绝缘层201的上表面设置有第二摩擦层202，即第二摩擦层202设置于缸体200的内表面(即缸体200的内侧壁)，第二摩擦层202可以为三角形、梯形等多边形，本实施例中第二摩擦层202的形状为三角形，材料为铜，第二摩擦层202与地连接；缸体200左右两端分别设置有第一内螺纹203和第二内螺纹204，分别与左端盖100的外螺纹102及右端盖300的连接螺纹302配合连接，用于左端盖100和右端盖300与缸体200的紧固连接。活塞400的外表面(即活塞400的外侧壁)设置有第一摩擦层401，第一摩擦层401的材料为聚四氟乙烯；活塞400设置有活塞杆402，活塞杆402和右端盖300配合，用于活塞400的滑动导向。

图3为本发明气动摩擦纳米发电机沿轴线的垂线方向(图1中A-A方向)的截面示意图，第一摩擦层401的上表面面向第二摩擦层202的上表面或缸体200内侧壁，在气体压力或其他外力的作用下，活塞400在缸体200内相对于缸体200做往复运动，使第一摩擦层401的上表面与第二摩擦层202的上表面产生相对滑动，在第二摩擦层202的上表面产生与活塞400运动参数相关的摩擦电荷，在第二摩擦层202和大地之间产生电信号输出。

图4为本发明气动摩擦纳米发电机的电荷移动原理图。气动摩擦纳米发电机的第一摩擦层401和第二摩擦层202的表面的材料存在摩擦电负性差异，在气体压力或其他外力的作用下使活塞400和缸体200之间产生往复滑动的同时，带动第一摩擦层401和第二摩擦层202发生相对滑动产生表面摩擦电荷，在第二摩擦层202和大地之间产生电子流动形成电流。如图4中的A步骤，在相对滑动的初始状态，活塞400在其运动行程的左极限位置，此时第一摩擦层401的上表面和第二摩擦层202的上表面具有最大的接触面积(即重叠面积)，由于第一摩擦层401材料的电负性优于第二摩擦层202的材料，电子将会由第二摩擦层202转移到第一摩擦层401，从而分别在第一摩擦层401和第二摩擦层202的上表面产生等量的极性相反的负电荷和正电荷。此时，由于第一摩擦层401和第二摩擦层202中的电荷处于静电平衡状态，在第二摩擦层202和大地之间没有电子流动。随着活塞400在外力的作用下向右运动，第一摩擦层401和第二摩擦层202的接触面积开始减小，在第一摩擦层401和第二摩擦层202之间产生感应电势差，为了缩小第一摩擦层401和第二摩擦层202之间的电势差达到新的静电平衡，一部分电子在静电场的作用下由大地流向第二摩擦层202，在外电路形成电流，参见图4中的B步骤。这种电能产生的过程可以一直持续到活塞400运动到右极限位置，参见图4中的C步骤，此时第一摩擦层401和第二摩擦层202的接触面积最小，第二摩擦层202中的正电荷被电子中和。在下一时刻，活塞400在外力的作用下开始向左运动，第一摩擦层401和第二摩擦层202重新开始接触，随着重叠面积的增加，第一摩擦层401和第二摩擦层202之间产生的摩擦感应电势差上升，第二摩擦层202中的电子通过外电路流回大地，在外电路产生一个相反方向的电流，参见图4中的D步骤。当活塞400运动到左极限位置(图4中A步骤)时，第二摩擦层202中的电子全部流回大地。因此，在每一次往复运动中，电子在第二摩擦层202和大地之间流动两次，在外电路中产生两次方向相反的电流信号。由此可见，气动摩擦纳米发电机的活塞400与缸体200之间的往复相对滑动，会使活塞400带动的第一摩擦层401和缸体200设置的第二摩擦层202发生不断的往复滑动，形成不断的电信号输出。本发明的气动摩擦纳米发电机可以回收气动系统中压缩气体的压力能和活塞运动的机械能。

在第一摩擦层上表面、第二摩擦层上表面设置微纳结构，例如设置纳米线阵列层、微米锥阵列层等微结构，可以增加接触面积，提高气动摩擦纳米发电机的输出电信号。

左端盖100和右端盖300与缸体200的紧固连接方式，除了上述的通过内外螺纹连接外，也可以采用其他常用的连接方式，例如法兰紧固连接方式等，只要可以实现左端盖100和右端盖300与缸体200的密封紧固连接即可。

左端盖100和右端盖300上进气口的设置方式不做特别限定，可以如图1中所示，设置在左端盖100和右端盖300的侧面，在其他实施例中也可以设置在左端盖100和右端盖300的顶部，进气口的设置只要不影响活塞杆的滑动就可，可以根据气动系统中气体管路的实际情况进行设计。

本实施例中第一摩擦层401为单层的聚四氟乙烯，还可以采用其他的绝缘材料，优选采用聚合物绝缘材料，如聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、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，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等材料。

摩擦发电部件的摩擦层和活塞之间可以设置弹性层，例如海绵胶等弹性材料，可以增加第一摩擦层和第二摩擦层之间的摩擦效果，同时起到密封活塞和缸体的效果，使活塞400左右的气体不会流通。弹性层的设置可以替代缸体和活塞之间原有的密封圈。

本实施例中第二摩擦层202采用导电的铜，是单层的导体材料，材料的选择除了铜外，还可以为其他导电材料，例如可以为金属、合金或者有机物导体等材料。摩擦发电部件中，导电的第二摩擦层202可以连接至大地，也可以连接至其他导体。

在其他实施例中，第二摩擦层202可以为多层复合结构，具体可以为第二导电层与第二介质层的层叠结构，第二介质层为第二摩擦层202的上表面。第二介质层的材料可以选择半导体或者绝缘体材料，例如可以从上述的聚合物绝缘材料中选择，第二介质层的材料需要满足与第一摩擦层401上表面的材料存在摩擦电负性差异。第二导电层的材料选择与第二摩擦层202为单层导体材料的材料选择可以相同。第二导电层可以连至大地，也可以连接至其他导体。

设置在缸体200内表面(即内侧壁)的第二摩擦层202的形状可以为三角形/梯形等沿缸体200轴线方向面积变化的结构，例如多边形或者其他规则或者不规则图形结构，在活塞400沿着缸体200的轴线方向滑动时，第一摩擦层401与第二摩擦层202的接触面积可以变化。

活塞400滑动过程中，第一摩擦层与第二摩擦层的接触面积始终变化是较好的结构，因此，设置在缸体200内表面的第二摩擦层可以为图形化结构，可以为整体的结构，也可以为包括多个摩擦单元的图形化结构。图形化结构的第二摩擦层，可以使活塞400滑动过程中，第一摩擦层与第二摩擦层的接触面积始终随着滑动在变化，能够高效利用机械能转变为电能。而且在使用该气动摩擦纳米发电机的气动系统中，可以实现对活塞运动状态的传感。

在其他实施例中，第二摩擦层202的形状也可以为包括多个摩擦单元的情况，多个摩擦单元的排列情况可以有多种，根据气动摩擦纳米发电机的使用目的可以沿着缸体轴线方向依次排列，例如为多个圆环状摩擦单元，可以等距排列，优选的，摩擦单元在轴线方向的长度与活塞在轴线的长度相同，摩擦单元之间的间隔与活塞在轴线的长度相同。这种情况下，多个摩擦单元可以互相并联在一起，也可以互相独立(互相之间不进行电连接)，例如，每个摩擦单元独立连接至大地或者导体。

多个摩擦单元可以沿着缸体轴线的垂直方向依次排列，如图3中设置3个三角形的第二摩擦单元构成第二摩擦层202，多个摩擦单元与第一摩擦层的接触面积的变化同步发生变化，可以将多个摩擦单元串联或者并联在一起。

在其他实施例中，第二摩擦层202为包括第二导电层与第二介质层的层叠结构时，类似的，第一摩擦层401也可以为多层复合结构，可以为包括第一导电层与第一介质层的层叠结构，第一介质层为第一摩擦层401的上表面，与第二介质层的材料存在摩擦电负性差异，其中，第一导电层、第一介质层的材料选择与第二摩擦层202中第二导电层、第二介质层材料的选择范围可以相同，但需要满足第一介质层与第二介质层的材料存在摩擦电负性差异。第一导电层和第二导电层可以分别连接至大地或者导体，也可以为第一导电层和第二导电层互相连接，在活塞400滑动时，在第一导电层与第二导电层之间形成电荷流动。在第二摩擦层为包括多个摩擦单元的情况下，多个摩擦单元可以单独与第一摩擦层的第一电极层连接，也可以作为整体的第二摩擦层与第一摩擦层的第一电极层连接。

本实施例中第二摩擦层202与缸体200之间的绝缘层201的作用为绝缘第二摩擦层202与缸体200，在缸体200为非导体材料的情况下，绝缘层201不是必须结构，可以不设置该绝缘层201。

摩擦发电部件中,第一摩擦层、第二摩擦层的形状和尺寸由活塞和缸体的尺寸确定，例如，第一摩擦层为聚四氟乙烯薄膜，尺寸与活塞的尺寸相同为20×φ80mm；第二摩擦层为铜薄膜，由若干个例如3个等腰三角形摩擦单元组成，均布于缸体内壁，三角形的底边平行于左端盖，三角形的高与缸体的长度一致为110mm，三角形的底边长由缸体的内表面周长决定。

图5为本发明的气动摩擦纳米发电机TENG为电容C充电示意图。本实施例公开的气动摩擦纳米发电机可以俘获气动系统中压缩气体的压力能和活塞运动的机械能转化为电能，为气动系统中的低功耗传感器供能。图5(a)为对本实施例的气动摩擦纳米发电机输出电能进行整流和储能处理的电路图，气动摩擦纳米发电机输出的电能经全桥整流后为后端的电容充电。图5(b)为本实施例的气动摩擦纳米发电机为不同大小的电容充电的曲线，经较短时间的充能后，电容的电压有一定程度的升高。验证了本实施例的气动摩擦纳米发电机可以作为气动系统中低功耗传感器的一种新型的供能装置。

实施例二：

通过检测实施例一中的气动摩擦纳米发电机产生的电信号，还可以实现对气动系统中活塞运动位置、运动速度、气体压力、流量等参数的检测。因此本实施例提供一种气动系统中的传感器。

下面以第二摩擦层为三角形结构的导电薄膜为例(参见图1至图3)，分别对该传感器的不同传感功能进行详细描述。其他结构的传感器的传感过程类似，在这里不做重复说明。

活塞运动位置的传感和检测：当活塞400以同一速度(如0.1m/s)在缸体200内滑动时，第一摩擦层401和第二摩擦层202的重合面积(即接触面积)随着活塞400运动位置的变化而变化，从而影响第二摩擦层202表面的摩擦电荷和感应电荷的数量。随着两个摩擦层重合面积的增加第二摩擦层202表面集聚的摩擦电荷和表面电荷的数目逐渐增加，第二摩擦层202和大地之间的电势差也随之升高。如图6所示为本实施例中气动系统中的传感器监测活塞位置时输出电压与活塞位置的关系曲线，二者满足较好的线性关系(拟合曲线)，通过检测不同活塞位置时第二摩擦层202和大地之间的电压即输出电压，从而实现活塞运动位置的检测。

可以预先测定气动系统中传感器的输出电压与活塞运动位置的关系曲线，具体使用时，可以通过检测获得活塞在某一待测定运动位置时传感器的输出电压数据，根据所述输出电压数据和所述关系曲线确定活塞的运动位置。

活塞运动速度的传感：当活塞400以同一行程(如6cm)不同速度在缸体200内滑动时，第一摩擦层401和第二摩擦层202的重合面积(接触面积)变化相同，重合面积的变化速率不同，从而第二摩擦层202和大地之间转移的电荷量相同而电荷转移速度不同。随着活塞400的移动速度的增加电荷转移速度(即电流)也增加。如图7所示为本实施例的气动系统传感器监测活塞运动速度时输出电流与活塞速度的关系曲线，活塞400每一个移动速度都对应一个不同的电荷转移速率，从而在第二摩擦层202和大地之间都会行成一个不同大小的电流，通过检测该电流信号即可实现对活塞运动速度的检测。

可以预先测定气动系统中传感器的输出电流与活塞运动速度的关系曲线，具体使用时，可以通过检测获得活塞在某一待测定运动速度时传感器的输出电流数据，根据输出电流数据和所述关系曲线确定活塞的运动速度。

气体流量检测：当由第一进气口101通入不同流量的气体如压缩气体时，此时第二进气口301充当排气口；相反的，如果由第二进气口通入压缩气体，则第一进气口101充当排气口，进气口的选择可以由电磁换向阀控制。因缸体200的截面面积一定，当改变通入的压缩气体的流量时，具体的是改变了通入压缩气体的流速，从而改变活塞400的移动速度，改变第二摩擦层202和大地之间转移电荷的速度，影响输出电流的大小。如图8所示为本发明气动摩擦纳米发电机和传感器监测气体流量时输出电流与气体流量的关系曲线，通过检测输出的电流信号即可检测通入的压缩气体的流量。

可以预先测定气动系统中传感器的输出电流与气体流量的关系曲线，具体使用时，可以预先测定气动系统中传感器的输出电流与气体流量的关系曲线，通过检测获得在某一待测定气体流量下所述传感器的输出电流数据，根据所述输出电流数据和所述关系曲线确定通入气体的流量。

气体压力检测：本实施例的传感器设置有第一进气口101和第二进气口301。当由第一进气口101通入不同压力的压缩气体而第二进气口301截止时，活塞400在气体压力的作用下向右滑动，缸体200右腔室的气体被压缩，气体压力逐渐升高。当左右腔室的压缩气体作用在活塞上的外力达到平衡时活塞停止运动。因此，当第一进气口101通入的压缩气体的压力值不同时，活塞的平衡位置也不同，第二摩擦层202和大地之间的电势差也不同，通过检测第二摩擦层202和大地之间的电压，即可检测通入的压缩气体的压力。如图9所示为由第一进气口101通入不同压力的压缩气体时输出电压与气体压力的关系曲线。相反的，如果由第二进气口301通入压缩气体而第一进气口101截止，本实施例提出的传感器检测气体压力的功能不受影响。

可以预先在一定条件下测定气动系统中传感器的输出电压与气体压力的关系曲线，具体使用时，可以通过检测获得在待测定气体压力下所述传感器的输出电压数据,根据所述输出电压数据和所述关系曲线确定气体的压力。

通过检测本实施例公开的气动系统传感器产生的电信号，可以实现对气动系统中各功能部件工作状态的监测。由于第二摩擦层202表面的摩擦电荷和感应电荷的数量及转移速度与活塞400的位置和运动速度有关，因此本发明气动摩擦纳米发电机和传感器输出的电压和电流的幅值随着活塞400的运动状态而改变,参见图6和图7。因此，本发明气动摩擦纳米发电机可以用于监测气动系统中活塞等功能部件的工作状态。

相同地，活塞的运动速度和压缩气体的流量成正相关，每一个压力平衡状态又对应一个活塞位置,参见图8和图9。因此，通过监测输出电流和电压的幅值也可以实现对气源压力和流量的监测。

简言之，本发明的气动摩擦纳米发电机也可以用于监测气动系统中气源的压力、流量等参数。

综上所述，本发明针对气动系统中的传感器以及传感器供能技术存在的问题，公开一种气动摩擦纳米发电机和气动系统传感器，可以将气动系统中的流体和活塞等产生的压力能或机械能转化为电能，为气动系统中低功耗传感器提供一种持续的供能装置，还可以作为气动系统监测的自驱动传感器，用于气动系统中各功能部件的工作状态的监测。

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。例如，各部件的形状、材质和尺寸的变化。

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 (18)

1.一种气动摩擦纳米发电机，其特征在于，包括气动系统中的缸体、和活塞，以及摩擦发电部件，其中，

所述活塞设置在所述缸体内，相对于所述缸体可以滑动；

所述摩擦发电部件包括第一摩擦层和第二摩擦层，分别设置在所述活塞外侧壁和所述缸体内侧壁，所述第一摩擦层和第二摩擦层的上表面的材料存在摩擦电负性差异；所述活塞相对于所述缸体滑动时，带动所述第一摩擦层和第二摩擦层相对滑动并且接触面积发生变化，所述摩擦发电部件产生电信号。

2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述第二摩擦层的形状为沿所述缸体的轴线方向面积变化的结构。

3.根据权利要求2所述的发电机，其特征在于，所述第二摩擦层为单层结构，采用导体材料；所述第二摩擦层连接至大地，或者连接至其他导体。

4.根据权利要求2所述的发电机，其特征在于，所述第二摩擦层为多层复合结构，包括第二导电层与第二介质层的层叠结构，所述第二介质层为所述第二摩擦层的上表面，所述第二导电层连接至大地，或者连接至其他导体。

5.根据权利要求2所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层为多层复合结构，包括第一导电层与第一介质层的层叠结构，第一介质层为所述第一摩擦层的上表面；

所述第二摩擦层为多层复合结构，包括第二导电层与第二介质层的层叠结构，所述第二介质层为所述第二摩擦层的上表面；

所述第一导电层和第二导电层分别连接至大地或者导体，或者第一导电层和第二导电层互相连接。

6.根据权利要求1-5任一项中所述的发电机，其特征在于，所述第二摩擦层为整体，或者为包括多个摩擦单元的图形化结构。

7.根据权利要求6中所述的发电机，其特征在于，所述第二摩擦层包括多个摩擦单元，其中，

多个所述摩擦单元沿着所述缸体轴线方向依次排列；或者，多个所述摩擦单元沿着所述缸体轴线的垂直方向依次排列；

多个所述摩擦单元互相并联在一起，或者互相独立。

8.根据权利要求7中所述的发电机，其特征在于，所述第二摩擦层包括若干个等腰三角形结构的导体薄膜，均布于缸体内壁，三角形的底边平行于左端盖，三角形的高与缸体的长度一致。

9.根据权利要求8中所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层为聚四氟乙烯薄膜，所述第二摩擦层为铜薄膜。

10.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，还包括左端盖和右端盖，所述左端盖设置有第一进气口，所述右端盖设置有第二进气口，所述右端盖设置有通孔，所述活塞的活塞杆可以在所述通孔中滑动，带动所述活塞在所述缸体内沿着左右方向滑动。

11.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，摩擦发电部件的第一摩擦层和活塞之间设置有弹性层。

12.根据权利要求11所述的发电机，其特征在于，所述弹性层为海绵胶。

13.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述缸体的内表面与所述第二摩擦层之间设置有绝缘层。

14.一种气动系统中的传感器，其特征在于，采用权利要求1-13任一项中所述的发电机。

15.气动系统中活塞运动位置的传感方法，其特征在于，采用权利要求14所述的传感器，预先测定气动系统中所述传感器的输出电压与活塞运动位置的关系曲线，通过检测获得所述活塞在待测定运动位置时的输出电压数据，根据所述输出电压数据和所述关系曲线确定所述活塞的运动位置。

16.气动系统中活塞运动速度的传感方法，其特征在于，采用权利要求14所述的传感器，预先测定气动系统中所述传感器的输出电流与活塞运动速度的关系曲线，通过检测获得所述活塞在待测定运动速度时传感器的输出电流数据，根据所述输出电流数据和所述关系曲线确定所述活塞的运动速度。

17.气动系统中气体流量的传感方法，其特征在于，采用权利要求14所述的传感器，预先测定气动系统中传感器的输出电流与气体流量的关系曲线，通过检测获得在待测定气体流量下所述传感器的输出电流数据，根据所述输出电流数据和所述关系曲线确定通入气体的流量。

18.气动系统中气体压力的传感方法，其特征在于，采用权利要求14所述的传感器，预先在一定条件下测定气动系统中传感器的输出电压与气体压力的关系曲线，通过检测获得在待测定气体压力下所述传感器的输出电压数据,根据所述输出电压数据和所述关系曲线确定气体的压力。

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