CN109444545A - 一种基于摩擦纳米发电机的电阻测定仪及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于摩擦纳米发电机的电阻测定仪及其方法。该摩擦纳米发电机由摩擦电对、导电电极、支撑结构组成。由外部振动器对摩擦纳米发电机提供频率的稳定的按压式机械运动，通过测量摩擦纳米发电机在不同工作频率下的输出电压来反映外接电阻的阻值。该发明扩展了摩擦纳米发电机的应用，同时也为电子器件测试行业提供了新的思路。

Description

一种基于摩擦纳米发电机的电阻测定仪及其方法

技术领域

本发明涉及一种基于摩擦纳米发电机的电阻测定仪及其方法。本发明可用于 收集环境中机械能的同时还可以用来测量电阻的阻值。该发明扩展摩擦纳米发电 机的应用领域。属于纳米能源领域。

背景技术

过去几十年，电子设备和系统经历了快速的发展，已经成为人们生活中的一 部分。电子设备和系统的集成程度在尺寸和功耗降低的同时急剧增加。目前，小 型化和智能集成特色电子设备和系统要求远程和独立工作能力。但是，电源是实 现这一有吸引力的未来愿景的道路上的重大障碍。虽然电池仍然是迄今为止电子 产品的首选，但其容量有限，需要定期充电，以及对环境有害的电池材料限制了 其更广泛的应用。因此，需要一种可穿戴，可持续和无污染的电源来维持这些设 备的正常运行。目前，已经发现压电效应，热电效应，光电效应，电磁效应，和 静电效果等基于不同机制的环境能量可以转换为电力。

2012年，一个名为摩擦纳米发电机(TENG)的新兴能源收集装置被提出， 同时被证明是一种拥有巨大潜力的电源。在过去五年来，TENG由于其出色的输 出性能，可持续的功率输出，以及环保等优点吸引了很多关注。基于摩擦起电效 应和静电感应，TENG可以有效的将环境中的机械能转化为电能。TENG最重要 的优点在于它对材料的要求不高，因为摩擦起电效应几乎发生在所有不同材料之 间。很多材料已经被研究可以用作TENG的摩擦电对，例如金属-塑料，塑料-塑 料，塑料-有机薄膜等。另外，还开发了几种技术来增强TENG的输出性能，包括 增加表面粗糙度，结构改进，表面改性等。但是，TENG的成本效率是仍然比较高，特别是金属制成的电极，表面纹理的复杂制造工艺，用于特定工艺步骤的昂 贵设备。因此，实际应用还有很长的路要走，TENGs的首要任务之一就是广泛 探索可用廉价的商业材料和简单的低成本制造使TENG更具成本效益的技术。 此外，TENG的应用范围应进一步扩大以涵盖更多领域并在多学科领域展示其有 益特征。

发明内容

本文提出了一种基于摩擦纳米发电机的电阻测定仪及其方法。底纸和硅油用 来构成摩擦电对，导电铜箔用来做导电电极，这种摩擦纳米发电机可以很容易地 用来收集各种机械能。同时可以通过调节自身工作频率来测量外接电阻的阻值。

本发明基于摩擦纳米发电机的电阻测定仪包括摩擦电对、导电电极对和支撑 结构；所述的支撑结构为两片正对设置的平行板；所述的导电电极对用于连接外 部电路，包括两导电电极，两导电电极带分别粘贴在两片平行板的表面上；所述 的摩擦电对包括硅油部分和底纸部分，硅油部分设置在其中一平行板正对另一平 行板的表面上，底纸部分设置在另一平行板上与所述硅油部分正对的表面上；当 平行板结构被压缩完全时，构成摩擦电对的两部分相互接触；且此时构成摩擦电 对的两部分的位置正好相对应。

优选的，所述的导电电极采用的是导电铜箔。

所述的摩擦电对的硅油部分和底纸部分来源于同一卷导电铜箔胶带；所述的 导电铜箔胶带包括导电铜箔和硅油纸；硅油纸包括基纸层、淋膜层和硅油层；以 基纸层作为摩擦电对的底纸部分，硅油层作为摩擦电对的硅油部分。

所述的支撑结构为平板结构。优选的，所述支撑机构采用的材料是底纸，底 纸是构成导电铜箔胶带的基材；是一种无毒环保的材料。

优选的，所述一种基于摩擦纳米发电机的电阻测定仪的发电机其工作原理采 用的是垂直分离模型中的“导电材料-电介质材料”模式。

优选的，所述的摩擦电对包括硅油和底纸，两种材料都具有良好的耐磨性和 柔性，适合复杂环境下使用；

优选的，所述的基于摩擦纳米发电机的电阻测定仪只需通过调节频率获得相 应输出电压，再根据相应公式计算出外电阻阻值。

具体的，包括如下步骤：

1)将发电机的上平行板固定在振动器的下表面，发电机的下平行板固定在 水平面上；

2)启动振动器，并测试出在两个不同频率ω₁和ω₂下的发电机内阻r_c1和 r_c2；

将待测电阻接入电路，分别测试其在ω₁和ω₂频率下的输出电压V_L1和V_L2；

对应关系可表示为：

其中，R为外部负载，j表示虚部，C为电容，V_oc为发电机的开路电压；

根据公式(6)和(7)可得：

令k＝V_L1/V_L2，外部负载R的电阻可表示为：

3)将V_L1和V_L2带入公式(8)和(9)中，即可算出外电阻阻值。

本发明所具有的优点：

(1)制作该摩擦纳米发电机的材料低廉；

(2)该摩擦纳米发电机制作简单，没有复杂的加工工艺；

(3)较为广泛的应用，不仅可以作为发电机，还可以用作测量电阻；

(4)相比于以往的测量电阻仪器，具有成本低廉，原理简单等优点；

(5)具有很高的可靠性，多次按压后，电学性能依然稳定。

附图说明

图1是一种基于摩擦纳米发电机的电阻测定仪结构示意图；

图2是一种基于摩擦纳米发电机的电阻测定仪计算值和实际值的数据图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明进一步说明。

参阅图1，一种基于摩擦纳米发电机的电阻测定仪，基于摩擦纳米发电机的 电阻测定仪包括摩擦电对、导电电极对和支撑结构；所述的支撑结构为两片正对 设置的平行板；所述的导电电极对用于连接外部电路，包括两导电电极，两导电 电极带分别粘贴在两片平行板的表面上；所述的摩擦电对包括硅油部分和底纸部 分，硅油部分设置在其中一平行板正对另一平行板的表面上，底纸部分设置在另 一平行板上与所述硅油部分正对的表面上；当平行板结构被压缩完全时，构成摩 擦电对的两部分相互接触；且此时构成摩擦电对的两部分的位置正好相对应。

摩擦纳米发电机的内部等效电路模型用一个理想电压源和电容器的串联来 表示，摩擦纳米发电机的固有电阻表示为：

其中j表示虚部，ω为频率，C为电容

对于纯电阻负载R，负载上的输出电压V_L可表示为：

电路中的输出电流I可表示为：

摩擦纳米发电机遵循接触分离模式，具体而言，对于摩擦纳米发电机的理论 模型，硅油厚度d₁和底纸厚度d₂被认为是具有不同介电常数的两个介电层，硅 油，底纸和空气的介电常数分别表示为ε₁，ε₂和ε₀；与硅油和底纸相关的摩擦表 面的面积是S，并且硅油表面和底纸表面之间的距离表示为x(t)。类似地， 由电位差引起的转移电荷被指定为Q；因此，摩擦纳米发电机的V-Q-x理论方程 如下：

其中，σ为表面电荷密度。

发电机的开路电压可以表示为：

因此，摩擦纳米发电机的内阻不会影响V_OC；由于当负载的电阻足够大时， 负载上的输出电压V_L近似等于开路电压V_OC；此外，通过利用内阻随频率变化且 电路电压不随频率变化的规律。

具体来说，在摩擦纳米发电机的两个不同工作频率下测量负载上的输出电 压。两个不同工作频率(ω₁和ω₂)下的输出电压设为V_L1和V_L2，两个不同工 作频率下的内阻设为r_c1和r_c2。对应关系可表示为：

根据公式(6)和(7)的：

如果令k＝V_L1/V_L2，外部负载(R)的电阻可表示为：

参阅图2，一种基于摩擦纳米发电机的电阻测定仪的使用方法，为了验证该 方法的可行性，本发明在2Hz，3Hz，5Hz，8Hz和10Hz的工作频率下测量了10M Ω-100MΩ负载的输出电压，并将两个相邻频率的电压值纳入公式(9)。最后， 本发明将计算值与实际值进行了比较，如图2所示。实验结果表明，计算值与 实际值基本一致，本发明的基于摩擦纳米发电机的电阻测定仪具有估算电阻值的 巨大潜力。

Claims (5)

1.一种基于摩擦纳米发电机的电阻测定仪，其特征在于包括摩擦电对、导电电极对和支撑结构；所述的支撑结构为两片正对设置的平行板；所述的导电电极对用于连接外部电路，其包括两导电电极，两导电电极带分别粘贴在两片平行板的表面上；所述的摩擦电对包括硅油部分和底纸部分，硅油部分设置在其中一平行板正对另一平行板的表面上，底纸部分设置在另一平行板上与所述硅油部分正对的表面上；当平行板结构被压缩完全时，构成摩擦电对的两部分相互接触；且此时构成摩擦电对的两部分的位置正好相对应。

2.如权利要求书1所述的一种基于摩擦纳米发电机的电阻测定仪，其特征在于，所述的导电电极采用的是导电铜箔。

3.如权利要求书1所述的一种基于摩擦纳米发电机的电阻测定仪，其特征在于，所述的摩擦电对的硅油部分和底纸部分来源于同一卷导电铜箔胶带；所述的导电铜箔胶带包括导电铜箔和硅油纸；硅油纸包括基纸层、淋膜层和硅油层；以基纸层作为摩擦电对的底纸部分，硅油层作为摩擦电对的硅油部分。

4.如权利要求书1所述的一种基于摩擦纳米发电机的电阻测定仪，其特征在于，所述的支撑结构为平板结构。

5.一种权利要求1所述电阻测定仪的基于摩擦纳米发电机的电阻测定方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将发电机的上平行板固定在振动器的下表面，发电机的下平行板固定在水平面上；

2)启动振动器，并测试出在两个不同频率ω₁和ω₂下的发电机内阻r_c1和r_c2；

将待测电阻接入电路，分别测试其在ω₁和ω₂频率下的输出电压V_L1和V_L2；

对应关系可表示为：

其中，R为外部负载，j表示虚部，C为电容，V_oc为发电机的开路电压；

根据公式(6)和(7)可得：

令k＝V_L1/V_L2，外部负载R的电阻可表示为：

3)将V_L1和V_L2带入公式(8)和(9)中，即可算出外电阻阻值。