CN113364339A - 基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器，属于自供电传感领域。该自驱动传感器包括扇形摩擦纳米发电机与双转盘摩擦纳米发电机，因为扇形摩擦纳米发电机用于监测驾驶员加速和刹车行为，双转盘摩擦纳米发电机用于监测方向盘角度，当驾驶员动作时，会促使两滑动摩擦发电组件工作，因此该自驱动传感器能及时收集驾驶员的踩油门、刹车以及汽车转弯等动作信号，并纠正驾驶员的攻击性驾驶行为，降低交通事故的发生率。另外，因为扇形摩擦纳米发电机与双转盘摩擦纳米发电机使用的材料来源广泛，成本低，所以，该自驱动传感器具有广泛的应用前景。

Description

基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器

技术领域

本发明涉及自供电传感领域，具体涉及一种基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器。

背景技术

随着私人汽车的普及化，交通事故发生频率越来越高。根据英国交通部的报告，在英国2011年的第一季度，有20000多人因道路事故死亡或重伤。世界卫生组织预测，到2030年，道路死亡人数将成为世界第五大死因。美国汽车协会(AAA)交通安全基金会在2009年的一项研究中表示：2003年至2007年期间，多达56％的致命车祸涉及一种或多种与侵略性驾驶有关的不安全的驾驶行为。为了降低交通事故的发生率，研究员们从检测根本原因之一的不良驾驶行为来改善道路交通。

摩擦纳米发电机是一种新型的将机械能转化为电能的方式，利用得失电子能力不同的两种材料之间的互相摩擦，发生表面电荷转移，能够将自然环境中广泛存在的机械能转变为电能，为小型电子器件如便携设备等提供电源。使用摩擦纳米发电机用作汽车传感器能实现自供电检测。

而现有技术中的摩擦纳米发电机结构单一、不能测量驾驶员在驾驶过程中方向盘的旋转角度，也不能测量刹车踏板与油门踏板的打开和关闭信息，因此不能很好地收集驾驶员在驾驶过程中的行为信息，无法纠正驾驶员的攻击性驾驶行为，也就无法降低交通事故的发生率。另外，现有技术中所使用的摩擦纳米发电机的结构复杂、成本高，精度低。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器。

本发明提供了一种基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器，具有这样的特征：自驱动传感器包括扇形摩擦纳米发电机与双转盘摩擦纳米发电机。

在本发明提供的基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器中，还具有这样的特征：其中，扇形摩擦纳米发电机包括：第一摩擦部与第二摩擦部；第一摩擦部与第二摩擦部滑动连接；第一摩擦部具有第一导电摩擦单元；第二摩擦部具有第二导电摩擦单元，第一导电摩擦单元与第二导电摩擦单元滑动连接。

在本发明提供的基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器中，还具有这样的特征：其中，第一摩擦部包括由下到上依次设置的第一扇形衬底、第一缓冲层以及第一摩擦层，第二摩擦部包括由下到上依次设置的第二摩擦层、第一导电元件以及第二扇形衬底，第一摩擦层与第二摩擦层滑动连接，第一导电元件与等电位相连接，用于产生电压信号。

在本发明提供的基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器中，还具有这样的特征：其中，第一摩擦层包括依次设置在第一扇形衬底上的第一扇形摩擦部分、第二扇形摩擦部分以及第三扇形摩擦部分，第一扇形摩擦部分的弧长为5cm-12cm，优选8cm，第二扇形摩擦部分的弧长为3cm-8cm，，优选5cm，第三扇形摩擦部分的弧长为1cm-3cm，优选2cm，第一扇形摩擦部分、第二扇形摩擦部分以及第三扇形摩擦部分的圆心角均为30°。

在本发明提供的基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器中，还具有这样的特征：其中，第一摩擦层的上表面为电中性或带有电荷，第一摩擦层的材料为绝缘体材料。

在本发明提供的基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器中，还具有这样的特征：其中，双转盘摩擦纳米发电机包括：第三摩擦部、第四摩擦部、第五摩擦部以及连接件，第四摩擦部设置在第三摩擦部与第五摩擦部之间，第四摩擦部通过连接件分别与第三摩擦部与第五摩擦部可转动连接。

在本发明提供的基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器中，还具有这样的特征：其中，第三摩擦部包括由下到上依次设置的第一圆形衬底、第二缓冲层以及第三摩擦层，第四摩擦部包括由下到上依次设置的第四摩擦层、第二导电元件、第三扇形衬底、第三导电元件以及第五摩擦层，第五摩擦部包括由下到上依次设置的第六摩擦层、第三缓冲层以及第二圆形衬底，第二导电元件与第三导电元件与等电位相连接，第三摩擦部与第五摩擦部朝向第三摩擦层与第六摩擦层的彼此相向的方向相对设置。

在本发明提供的基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器中，还具有这样的特征：其中，第三摩擦层包括第一扇形摩擦区域、第二扇形摩擦区域、第三扇形摩擦区域以及第四扇形摩擦区域，第一扇形摩擦区域的弧长为5cm-12cm，优选8cm，第二扇形摩擦区域的弧长为3cm-8cm，第三扇形摩擦区域的弧长为1cm-5cm，优选6cm，第四扇形摩擦区域的弧长为1cm-3cm，优选4cm，第一扇形摩擦区域、第二扇形摩擦区域以及第三扇形摩擦区域的圆心角均为60°，第四扇形摩擦区域的角度为180°，第六摩擦层包括第五扇形摩擦区域、第六扇形摩擦区域、第七扇形摩擦区域以及第八扇形摩擦区域，第五扇形摩擦区域的弧长为5cm-12cm，优选8cm，第六扇形摩擦区域的弧长为3cm-8cm，优选6cm，第七扇形摩擦区域的弧长为1cm-5cm，优选4cm，第八扇形摩擦区域的弧长为1cm-3cm，第五扇形摩擦区域、第六扇形摩擦区域以及第七扇形摩擦区域的圆心角均为60°，第八扇形摩擦区域的角度为180°。

在本发明提供的基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器中，还具有这样的特征：其中，第三摩擦层、第四摩擦层、第五摩擦层以及第六摩擦层的厚度为50nm-2cm，优选为100nm-1cm，更优选为500nm-5mm，更优选为1μm-2mm，最优选为1μm-100μm。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器，该自驱动传感器包括扇形摩擦纳米发电机与双转盘摩擦纳米发电机，因为扇形摩擦纳米发电机用于监测驾驶员踩油门的加速和踩刹车的减速行为，双转盘摩擦纳米发电机用于监测方向盘角度，当驾驶员动作时，会促使两滑动摩擦发电组件工作，因此该自驱动传感器能同时收集驾驶员的机械运动能，并纠正驾驶员的攻击性驾驶行为，降低交通事故的发生率。另外，因为扇形摩擦纳米发电机与双转盘摩擦纳米发电机使用的材料来源广泛，成本低，所以，该自驱动传感器具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明的实施例中基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器的结构示意图；

图2是本发明的对比例中滑动摩擦纳米发电机的结构示意图；

图3是本发明的对比例中滑动摩擦纳米发电机的输出特性示意图；

图4为测试例一中扇形摩擦纳米发电机的急加速和正常加速时的输出信号图；

图5为测试例一中模拟的扇形摩擦纳米发电机的一组加速电压波形及电压与油门开合度的关系图；

图6为双转盘摩擦纳米发电机的结构与工作原理图；

图7为测试例二中双转盘摩擦纳米发电机收集的一组转动方向盘的电压波形图；

图8为测试例二中双转盘摩擦纳米发电机高速转弯和频繁变更车道的电压波形图和动作图；

图9是本发明的实施例中基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器的使用方法示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明一种基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器作具体阐述。

<实施例>

图1是本发明的实施例中基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器的结构示意图。

如图1所示，自驱动传感器100包括扇形摩擦纳米发电机10与双转盘摩擦纳米发电机20。

如图1a所示，扇形摩擦纳米发电机10包括第一摩擦部11与第二摩擦部12。

第一摩擦部11包括由下到上依次设置的第一扇形衬底111、第一缓冲层112以及第一摩擦层113。

第一扇形衬底111的材料为亚格力板，厚度为3mm。

第一缓冲层112为弹性层，设置在第一扇形衬底111的表面，第一缓冲层112的材料为EVA泡沫海绵，厚度为1mm。

第一摩擦层113设置在第一缓冲层112的表面，材料为铜。第一摩擦层113的上表面为电中性或带有电荷。第一摩擦层113包括依次设置在第一扇形衬底111上的第一扇形摩擦部分1131、第二扇形摩擦部分1132以及第三扇形摩擦部分1133。第一扇形摩擦部分1131的弧长8cm，第二扇形摩擦部分1132的弧长为6cm，第三扇形摩擦部分1133的弧长为2cm。第一扇形摩擦部分1131、第二扇形摩擦部分1132以及第三扇形摩擦部分1133的圆心角均为30°。

第二摩擦部12包括由下到上依次设置的第二摩擦层121、第一导电元件122以及第二扇形衬底123。

第二摩擦层121呈扇形，材料为聚四氟乙烯，厚度为100μm。第二摩擦层121与第一扇形摩擦部分1131的形状相同，并与第一摩擦层113滑动连接。第二摩擦层121与第一摩擦层113的表面设置有微纳米结构层(图中未示出)，微纳米结构层的材料为光催化材料，厚度为20nm-20μm。

第一导电元件122形状与第二摩擦层121的形状相同，材料为铝薄膜，厚度为100μm。第一导电元件122与等电位(包括等电位源或者地电位)相连接。在第一导电元件122与等电位之间连接负载，可以实现静电感应发电组件的输出。

第一导电元件122还连接有导线(图中未示出)，用于输出电信号。

第二扇形衬底123的形状与第一导电元件122的形状相同，第二扇形衬底123的材料为EVA泡沫海绵，厚度为1mm。

本实施例提供的扇形摩擦纳米发电机10的工作原理如下：

当第一摩擦层113与第二摩擦层121完全接触时发生电荷分离，在两个摩擦层接触面内分别产生净正电荷和净负电荷。当第二摩擦层121向第一摩擦层113低弧长的部分滑动时，随着摩擦层接触面积的减少，电子从第一导电元件122中流入外部电路，使第一导电元件122与等电位之间形成电流，产生正/负电压信号。当第二摩擦层121完全脱离第一摩擦层113，此时电压信号绝对值达到最大。当第二摩擦层121重新从第一摩擦层113的低弧长扇形部分滑动回原始位置时，此时电子从外部电路中流入第一导电元件122，使第一导电元件122与等电位之间形成电流，产生负/正电压信号。

在图1b中，图1b1为双转盘摩擦纳米发电机的爆炸图；图1b2为双转盘摩擦纳米发电机的结构示意图；图1b3为双转盘摩擦纳米发电机的第三摩擦部的结构示意图。

如图1b1所示，双转盘摩擦纳米发电机20包括第三摩擦部21、第四摩擦部22、连接件23以及第五摩擦部24。

如图1b3所示，第三摩擦部21呈圆盘状，包括由下到上依次设置的第一圆形衬底211、第二缓冲层212以及第三摩擦层213。

第一圆形衬底211的材料为亚格力板，厚度为3mm。

第二缓冲层212覆盖在第一圆形衬底211的表面，第二缓冲层212为弹性部件，材料为EVA泡沫海绵，厚度为1mm。

第三摩擦层213设置在第二缓冲层212的表面，材料为铜。第三摩擦层213包括第一扇形摩擦区域2131、第二扇形摩擦区域2132、第三扇形摩擦区域2133以及第四扇形摩擦区域2134。第一扇形摩擦区域2131的弧长为8cm，第二扇形摩擦区域2132的弧长为6cm，第三扇形摩擦区域2133的弧长为4cm，第四扇形摩擦区域2134的弧长为2cm。第一扇形摩擦区域2131、第二扇形摩擦区域2132以及第三扇形摩擦区域2133的圆心角均为60°，第四扇形摩擦区域2134的角度为180°。

第四摩擦部22包括由下到上依次设置的第四摩擦层221、第二导电元件222、第三扇形衬底223、第三导电元件224以及第五摩擦层225。

第四摩擦层221呈扇形，材料为聚四氟乙烯，厚度为100μm。第四摩擦层221与第一扇形摩擦区域2131的大小相同。

第二导电元件222设置在第四摩擦层221的表面，材料为铝，厚度为100μm。第二导电元件222与等电位(等电位源或地电位)相连接，在等电位与第二导电元件222之间连接负载用于实现静电感应的输出。第二导电元件222上连接有导线(图中未示出)，用于输出电信号。

第三扇形衬底223设置在第二导电元件222的表面，材料为亚格力板，厚度为3mm。

第三导电元件224呈扇形，设置在第三扇形衬底223的表面，材料为铝薄膜，厚度为100μm。

第五摩擦层225呈扇形，设置在第三导电元件224的表面，材料为聚四氟乙烯，厚度为100μm。

连接件23呈柱状，连接件23贯穿第四摩擦部22，并分别与第三摩擦部21、第五摩擦部24相连接。

第五摩擦部24包括由下到上依次设置的第六摩擦层241、第三缓冲层242以及第二圆形衬底243。第五摩擦部24与第三摩擦部21的结构完全相同，在此不再赘述。

图6为双转盘摩擦纳米发电机的结构与工作原理图。

图6(a)为双转盘摩擦纳米发电机的结构；图6(b)为双转盘摩擦纳米发电机的第三摩擦部与第四摩擦部的工作原理图；图6(c)为双转盘摩擦纳米发电机的整体工作原理图，在图6(c)的I-IX中，Upper layer为第五摩擦层225与第六摩擦层241构成的上层摩擦纳米发电机组，Lower layer为第三摩擦层213与第四摩擦层221构成的下层摩擦纳米发电机组，下同图7与图8。

如图6(c)所示，第三摩擦层213与第四摩擦层221完全接触时发生电荷分离，并在两摩擦接触面内分别产生净正电荷和净负电荷。当第四摩擦层221向第三摩擦层213顺时针转动180度时，随着两摩擦层接触面的减少，电子在第二导电元件222于外部电路中流动，使第二导电元件222与等电位之间形成电流，产生正/负电压信号。同时，第五摩擦层225向第六摩擦层241顺时针转动180度，随着两摩擦层的接触面减少，电子在第三导电元件224于等电位源(或者地电位)中流动，使第三导电元件224与等电位之间形成电流，产生正/负电压信号。由于第三摩擦层213与第四摩擦层221接触面积的减少率小于第五摩擦层225与第六摩擦层241接触面积的减小率，所以第三摩擦层213与第四摩擦层221产生的电压变化率小于第五摩擦层225与第六摩擦层241产生的电压变化率。

当第五摩擦层225在第六摩擦层241表面顺时针滑动60度-180度时，由于第五摩擦层225与第六摩擦层241之间接触面积不变，所以电压变化为0。

当第四摩擦层221向第三摩擦层213顺时针继续转动到300度期间，由于第四摩擦层221与第三摩擦层213之间接触面积不变，所以电压保持不变。

当第四摩擦层221向第三摩擦层213顺时针从300度转动到360度期间，第四摩擦层221与第三摩擦层213之间接触面积增大，电子在第一导电元件41于等电位源(或者地电位)中流动，产生负/正电压信号。

当第五摩擦层225向第六摩擦层241顺时针从180度转动到360度期间，第五摩擦层225与第六摩擦层241之间接触面积增大，电子在第二导电元件42于等电位源(或者地电位)中流动，产生负/正电压信号。由于在300-360度期间，第三摩擦层213与第四摩擦层221接触面积增大率大于第五摩擦层225与第六摩擦层241增大率，所以第三摩擦层213与第四摩擦层221产生的电压变化率大于第五摩擦层225与第六摩擦层241产生的电压变化率。

图6(d)为双转盘摩擦纳米发电机的第三摩擦层与第四摩擦层构成的发电机组、第五摩擦层与第六摩擦层构成的发电机组顺时针旋转一圈的电压波形图。如图6(d)所示，图中分别显示的是方向盘顺时针旋转一圈时上下两个摩擦纳米发电机的电压波形，其与图6(c)对应。当处于图6(c)I-V阶段时，下层摩擦纳米发电机的电压小于上层摩擦纳米发电机，属于测量方向盘角度的有效电压，即下层摩擦纳米发电机测量方向盘0-180度的角度。当处于图6(c)V-IX阶段时，上层摩擦纳米发电机的电压小于下层摩擦纳米发电机，属于测量方向盘角度的有效电压，即上层摩擦纳米发电机测量方向盘180-360度的角度。

图6(e)是双转盘摩擦纳米发电机的输出电压与方向盘角度对应的关系图。由图6(e)可知，顺时针方向看，第三摩擦层213与第四摩擦层221构成的发电机组采集的是0度-180度的角度信息，第五摩擦层225与第六摩擦层241构成的发电机组采集的是180度-360度的角度信息。

<对比例>

图2是本发明的对比例中滑动摩擦纳米发电机的结构示意图。

如图2所示，本对比例提供了一种传统滑动摩擦纳米发电机30，包括第一摩擦部31与第二摩擦部32。

第一摩擦部31包括由下到上依次设置的第一衬底311、第一导电元件312以及第一摩擦层313。

第一衬底311为长方体。第一导电元件312设置在第一衬底311的表面，并连接至等电位，等电位为等电位源或者地电位。在第一导电元件312与等电位源(或者地电位)之间连接负载用于实现静电感应发电组件的输出。第一导电元件312连接有导线(图中未示出)。

第一摩擦层313的材料为聚四氟乙烯，设置在第一导电元件312的表面。

第二摩擦部32包括由下到上依次设置的第二摩擦层321与第二衬底322。

第二摩擦层321的材料为铜，并与第一摩擦层313滑动连接。第二衬底322设置在第二摩擦层321的表面。

图3是本发明的对比例中滑动摩擦发电机的输出特性示意图。

图3(a)为传统滑动摩擦发电机(尺寸为5×3cm²)在不同频率下的短路电流，由图3(a)可知，随着速率的增加输出电流也明显增大。

图3(b)为传统滑动摩擦发电机(尺寸为5×3cm2)在不同频率下的开路电压，由图3(b)可知，因为电压只与摩擦层接触面积有关，所以，随着速率的增加开路电压也保持不变。

图3(c)为不同尺寸的传统滑动摩擦发电机的开路电压，由图3(c)可知，从图中可以看出，传统滑动摩擦发电机的开路电压随着尺寸的增加而变大。

图3(d)为传统滑动摩擦发电机循环10000次的电压波形，由图3(d)可知，传统滑动摩擦发电机循环10000次的电压较为稳定。

<测试例一>

图4为测试例一中扇形摩擦纳米发电机的急加速和正常加速时的输出信号图。

测试方法：通过6514静电仪测得扇形摩擦纳米发电机10的急加速和正常加速时的输出信号。

测试结果：图4(a)为采集的十组驾驶员急加速和五组正常加速的电压波形，图4(a)中的插图是一组急加速的电压波形图；图4(b)为驾驶员急加速时的电压斜率值；图4(c)为驾驶员正常加速时的电压斜率值。

由图4(a)-图4(c)可知，急加速时的电压斜率值远大于正常加速时的电压斜率值，因此在产业化应用时，可以通过多次采样确定阈值来判断急加速或急刹车。

图5为测试例一中模拟的扇形摩擦纳米发电机的一组加速电压波形及电压与油门开合度的关系图。

图5(a)为在模拟驾驶器上采集的一组加速动作的电压波形；图5(b)为对应图5(a)中1-7个加速动作的电压斜率值；图5(c)为整个油门开合度与扇形摩擦纳米发电机的输出电压的关系。

由图5(a)-图5(c)可知，每一次的加速动作，扇形摩擦纳米发电机都能采集到加速动作电压特征，根据电压斜率的大小就可判断每个动作是否为急加速动作。设急加速电压斜率阈值为20V/s，则由图5(b)可知，第1个动作和第3个动作为急加速动作。如果将油门的开合度按0-1表示，那么扇形摩擦纳米发电机的输出电压与油门开合度对应的关系就如图5(c)所示。

<测试例二>

图7为测试例二中双转盘摩擦纳米发电机收集的一组转动方向盘的电压波形图。从图中可以看出左转右转不同角度时，双转盘摩擦纳米发电机输出的对应电压，证明了该发电机用于检测方向盘角度的可行性。

图8为测试例二中双转盘摩擦纳米发电机高速转弯和频繁变更车道的电压波形图和动作图。

图8(a)是将双转盘摩擦纳米发电机在模拟驾驶器上模拟的一段高速转弯电压波形图。根据以往文献记载，转向角度超过40度，速度在20-50Km/h以内为高速转弯；通过双转盘摩擦纳米发电机和汽车速度传感器结合能分析出驾驶员高速转弯动作。

图8(b)是将双转盘摩擦纳米发电机在模拟驾驶器上模拟的一段频繁变更车道电压波形图。根据以往文献记载，转向角度超过30度，速度在5-22.5Km/h以内为变更车道，在一定时间内多次变更车道为频繁变更车道。

图8(c)是将双转盘摩擦纳米发电机在模拟驾驶器上模拟的高速转弯的动作。

图8(d)是将双转盘摩擦纳米发电机在模拟驾驶器上模拟的模拟驾驶器上变更车道的动作。

图9是本发明的实施例中基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器的使用方法示意图。

如图9所示，本发明的实施例提供的基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器的使用方法如下：

驾驶员将扇形摩擦纳米发电机10(S-TENG)安装在刹车踏板或油门踏板的侧板上，双转盘摩擦纳米发电机20(SDT-TENG)安装在方向盘下方。驾驶员踩踏刹车踏板或油门踏板时，第一摩擦层113的上表面与第二摩擦层121的下表面至少接触后分离，在第一导电元件122产生感应电荷，并在第一导电元件122与等电位之间输出电信号。驾驶员转动方向盘，使第三摩擦层213的上表面与第四摩擦层221的下表面至少部分接触，第五摩擦层225的上表面与第六摩擦层241的下表面至少部分接触，使第二导电元件222与第三导电元件224产生感应电荷，并在第二导电元件222、第三导电元件224与等电位之间输出电信号。同时，扇形摩擦纳米发电机10和双转盘摩擦纳米发电机20收集驾驶员的四个特征行为信息，然后通过数据采集器将该驾驶员的特征行为信息转化为电压信号，电压信号无线传输到电脑屏幕上，并在检测程序中进行分析，从而判断出驾驶员的驾驶行为属于安全性驾驶行为还是攻击性驾驶行为。如果驾驶员的驾驶行为属于攻击性驾驶行为，则将该结果反馈给驾驶员，从而提醒驾驶员改正不良驾驶行为。驾驶员的四个特征行为包括高速转弯、急刹车、急加速以及频繁变更车道。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器，该自驱动传感器包括扇形摩擦纳米发电机与双转盘摩擦纳米发电机，因为扇形摩擦纳米发电机用于监测驾驶员加速和刹车行为，双转盘摩擦纳米发电机用于监测方向盘角度，当驾驶员动作时，会促使两滑动摩擦发电组件工作，因此该自驱动传感器能同时收集驾驶员的机械运动能，并纠正驾驶员的攻击性驾驶行为，降低交通事故的发生率。另外，因为扇形摩擦纳米发电机与双转盘摩擦纳米发电机使用的材料来源广泛，成本低，所以，该自驱动传感器具有广泛的应用前景。

进一步地，因为双转盘摩擦纳米发电机通过双通道采集电压信号，因此，可用于测量方向盘旋转角度，具有结构简单，成本低，通道少的优点。并且可以应用于新领域，例如智能驾驶，机器人角度传感器，个性化医学，人工智能等。

进一步地，因为扇形摩擦纳米发电机与双转盘摩擦纳米发电机均采取单电极工作模式，采集的电压信号稳定直观，所以，可以降低算法处理的复杂度。同时，由于高电压，扇形摩擦纳米发电机与双转盘摩擦纳米发电机具有高灵敏度，并且尺寸可调，且可制备成柔性或是硬性结构，所以，本发明的摩擦发电机制作方便，成本低，易于产业推广和应用。

进一步地，本发明的实施例中摩擦层的硬度、厚度、形状以及材料等方面的要求介绍如下：

本发明并不限定摩擦层或者其上表面包括的微纳结构层必须是硬质材料，也可以选择柔性材料，因为材料的硬度并不影响摩擦层之间的摩擦效果，本领域的技术人员可以根据实际情况进行选择。

摩擦层的厚度对本发明的发电机的性能有显著影响，只是在制备的过程中需要综合考虑摩擦层强度发电效率等因素。本发明优选摩擦层为薄层，厚度为50nm-2cm，优选100nm-1cm，更优选500nm-5mm，更优选1μm-2mm，这些厚度对本发明中所有的技术方案都适用。摩擦层的厚度越薄越好，但由于现有技术局限，最优选为1μm-100μm。

摩擦层上表面的微纳结构层可以与摩擦层的材料相同，也可以不同，优选为相同。摩擦层或者其上表面的微纳结构层的材料可以为绝缘材料。此处列举一些常用的绝缘材料：苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚(2,6-二甲基聚亚苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯和派瑞林。派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT和派瑞林AF4。

限于篇幅的原因，并不能对所有可能的作为摩擦层或者其上表面的微纳结构层的材料进行穷举，此处仅列出几种具体的材料供人们参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素，因为在发明的启示下，本领域的技术人员根据摩擦层材料很容易选择其他类似的材料。

导电元件作为发电组件的电极，需要具备能够导电的特性，可以选择常用的导电材料，具体导电元件材料的选择不作为限定本发明保护范围的因素，本领域常用的材料为：金属，选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒；由金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬和硒，以及由上述金属形成的合金；导电氧化物，例如氧化铟锡ITO；有机物导体一般为导电高分子，可以选择自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。优选地，导电元件的材料为铜、金、银或铂。也可以将厚度较大的导电材料例如金属板直接贴合在衬底上来固定形成导电元件。

发电组件中，导电元件优选与衬底的表面紧密接触，以保证电荷的诱导效率；可以采用沉积的方法在摩擦层的表面制备导电元件，例如电子束蒸发、等离子体溅射、磁控溅射或蒸镀等方法。

导电元件除了可以与地电位连接外，也可以与其他能够提供电荷的等电位源电连接，在导电元件附件的电场发生变化时，等电位源可以提供足够的电荷来平衡该电场的变化。导电元件可以是薄膜或薄层，厚度的可选范围为10nm-2cm，优选为50nm-5mm，更优选为100nm-1mm，更优选为500nm-500μm，更优选为1μm-100μm。导电元件并不必须限定是硬质的，也可以是柔性的，因为柔性导电元件同样可以起到对摩擦层的支撑和导电作用。导电元件通过导线或金属薄层与外电路连接来输出静电感应发电组件的电信号。

前述实施例中，发电组件包括衬底，在其他实施例中，只要导电元件的强度足够，也可以省略衬底。摩擦层的表面要能够覆盖导电元件，保证任何一个导电元件不会与其他物质直接接触即可。

本发明的发电机中的滑动摩擦发电组件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。这里所述的“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。本发明人发现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，因此，从严格意义上讲，摩擦电极序的表述是不准确的，但由于历史原因而一直沿用至今。

本发明中所述的“摩擦电荷”或“接触电荷”，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，本发明人认为，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，接触电荷的符号是净电荷的符号，即在带有正接触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。

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摩擦层材料，此处列举一些常用的高分子聚合物材料：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。

半导体和金属也可以代替上述绝缘体材料作为制备摩擦层的材料。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，因此以下列出的半导体材料均可作为本发明中的摩擦层的材料：SnO2、ZnO、TiO2、In2O3、ZnS、ZnSe、ZnTe、GaN、Se、CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge、PbS、InGaAs、PbSe、InSb、PbTe、HgCdTe、PbSn、HgS、HgSe、HgTe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也具有摩擦电特性，能够在摩擦过程形成表面电荷，因此也可以用来作为本发明的摩擦层，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；常用的金属包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金。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。

限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出几种具体的可以作为摩擦层的材料供参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素，因为在发明的启示下，本领域的技术人员根据这些材料所具有的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。

通过实验发现，当摩擦层之间表面材料的得失电子能力相差越大(即在摩擦电极序中的位置相差越远)时，接触摩擦发电机组件的电输出越大。所以，可以根据实际需要，选择合适的材料来制备摩擦层，以获得更好的输出效果。具有负极性摩擦电极序的材料优选聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯和派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF4；具有正极性的摩擦电极序材料优选苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、铜、铝、金、银和钢。

摩擦层采用导电材料时，相应的导电元件可以省略，由导电的摩擦层材料直接充当导电元件，能够进一步简化发电机的结构。

本发明的发电机中，还可以对摩擦层的表面进行物理改性，使其部分或全部表面具有微米或亚微米量级的微结构或者纳米材料的点缀或涂层，以增强摩擦层之间的接触面积。所述微结构可以选自纳米线、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。优选为在摩擦层的表面包括上述微、纳米结构中一种或者几种结构形成的阵列。

另外，还可以在摩擦层的表面进行化学改性，能够进一步提高电荷在接触瞬间的转移量，从而提高接触电荷密度和发电机的输出功率。化学改性又分为如下两种类型：

一种方法是对于相互摩擦的摩擦层，在摩擦电极序相对为正的材料表面引入更易失电子的官能团(即强给电子团)，或者在摩擦电极序相对为负的材料表面引入更易得电子的官能团(强吸电子团)，都能够进一步提高电荷在相互接触时的转移量，从而提高摩擦电荷密度和发电机的输出功率。强给电子团包括：氨基、羟基、烷氧基等；强吸电子团包括：酰基、羧基、硝基、磺酸基等。官能团的引入可以采用等离子体表面改性等常规方法。例如可以使氧气和氮气的混合气在一定功率下产生等离子体，从而在摩擦层材料表面引入氨基。

另外一种方法是对于相互摩擦的摩擦层，在极性为正的材料表面引入正电荷，而在极性为负的材料表面引入负电荷。具体可以通过化学键合的方式实现。例如，可以在聚二甲基硅氧烷PDMS摩擦层表面利用溶胶-凝胶的方法修饰上正硅酸乙酯(TEOS)，而使其带负电。也可以在金属金薄膜层上利用金-硫的键结修饰上表面含十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的金纳米粒子,由于十六烷基三甲基溴化铵为阳离子，故会使整个摩擦层变成带正电性。本领域的技术人员可以根据摩擦层或电极层材料的得失电子性质和表面化学键的种类，选择合适的修饰材料与其键合，以达到本发明的目的，因此这样的变形都在本发明的保护范围之内。

优选的，摩擦层选择弹性材料或柔性材料，可以增加受到外力作用时的接触面积。同样，导电元件、衬底也可以为弹性材料或者柔性材料，使本发明的摩擦发电组件成为一个柔性器件。

本发明的发电机中，优选的，衬底与摩擦层将导电元件完全覆盖，避免其他物质与导电元件接触。

尽管附图中所示的发电机结构中，摩擦层之间在接触过程中互相接触的表面均为平面，实际中摩擦层在接触过程中互相接触的表面可以为曲面或者不平整的凹凸结构表面，优选的，摩擦层在接触过程中互相接触的表面形状相同或互补，使得在有外力施加时，摩擦层之间表面完全接触。

至此，已经结合附图对本发明进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的监测驾驶行为的自供电传感器的原理、发电方法以及其制备方法有了清楚的认识。

此外，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。并且上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器，其特征在于：

自驱动传感器包括扇形摩擦纳米发电机与双转盘摩擦纳米发电机。

2.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器，其特征在于：

其中，所述扇形摩擦纳米发电机包括：

第一摩擦部与第二摩擦部；

所述第一摩擦部与所述第二摩擦部滑动连接；

所述第一摩擦部具有第一导电摩擦单元；

所述第二摩擦部具有第二导电摩擦单元，所述第一导电摩擦单元与所述第二导电摩擦单元滑动连接。

3.根据权利要求2所述的基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器，其特征在于：

其中，所述第一摩擦部包括由下到上依次设置的第一扇形衬底、第一缓冲层以及第一摩擦层，

所述第二摩擦部包括由下到上依次设置的第二摩擦层、第一导电元件以及第二扇形衬底，

所述第一摩擦层与所述第二摩擦层滑动连接，

所述第一导电元件与等电位相连接，用于产生电压信号。

4.根据权利要求3所述的基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器，其特征在于：

其中，所述第一摩擦层包括依次设置在所述第一扇形衬底上的第一扇形摩擦部分、第二扇形摩擦部分以及第三扇形摩擦部分，

所述第一扇形摩擦部分的弧长为5cm-12cm，所述第二扇形摩擦部分的弧长为3cm-8cm，所述第三扇形摩擦部分的弧长为1cm-3cm，

所述第一扇形摩擦部分、所述第二扇形摩擦部分以及所述第三扇形摩擦部分的圆心角均为30°。

5.根据权利要求3所述的基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器，其特征在于：

其中，所述第一摩擦层的上表面为电中性或带有电荷。

6.根据权利要求3所述的基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器，其特征在于：

其中，所述第一摩擦层与所述第二摩擦层的厚度为50nm-2cm。

7.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器，其特征在于：

其中，所述双转盘摩擦纳米发电机包括：

第三摩擦部、第四摩擦部、第五摩擦部以及连接件，

所述第四摩擦部设置在所述第三摩擦部与所述第五摩擦部之间，所述第四摩擦部通过所述连接件分别与所述第三摩擦部与所述第五摩擦部可转动连接。

8.根据权利要求7所述的基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器，其特征在于：

其中，所述第三摩擦部包括由下到上依次设置的第一圆形衬底、第二缓冲层以及第三摩擦层，

所述第四摩擦部包括由下到上依次设置的第四摩擦层、第二导电元件、第三扇形衬底、第三导电元件以及第五摩擦层，

所述第五摩擦部包括由下到上依次设置的第六摩擦层、第三缓冲层以及第二圆形衬底，

所述第二导电元件与所述第三导电元件与等电位相连接，

所述第三摩擦部与所述第五摩擦部朝向所述第三摩擦层与所述第六摩擦层的彼此相向的方向相对设置。

9.根据权利要求8所述的基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器，其特征在于：

其中，所述第三摩擦层包括第一扇形摩擦区域、第二扇形摩擦区域、第三扇形摩擦区域以及第四扇形摩擦区域，

所述第一扇形摩擦区域的弧长为5cm-12cm，所述第二扇形摩擦区域的弧长为3cm-8cm，所述第三扇形摩擦区域的弧长为1cm-5cm，所述第四扇形摩擦区域的弧长为1cm-3cm，

所述第一扇形摩擦区域、所述第二扇形摩擦区域以及所述第三扇形摩擦区域的圆心角均为60°，所述第四扇形摩擦区域的角度为180°，

所述第六摩擦层包括第五扇形摩擦区域、第六扇形摩擦区域、第七扇形摩擦区域以及第八扇形摩擦区域，

所述第五扇形摩擦区域的弧长为5cm-12cm，所述第六扇形摩擦区域的弧长为3cm-8cm，所述第七扇形摩擦区域的弧长为1cm-5cm，所述第八扇形摩擦区域的弧长为1cm-3cm，

所述第五扇形摩擦区域、所述第六扇形摩擦区域以及所述第七扇形摩擦区域的圆心角均为60°，所述第八扇形摩擦区域的角度为180°。

10.根据权利要求7所述的基于摩擦纳米发电机实时监测驾驶员行为的自驱动传感器，其特征在于：

其中，所述第三摩擦层、所述第四摩擦层、所述第五摩擦层以及所述第六摩擦层的厚度为50nm-2cm。

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