CN116155134A - 一种摩擦电和电磁复合纳米发电机及其使用方法、应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摩擦电和电磁复合纳米发电机及其使用方法、应用，包括摩擦发电机构、电磁发电机构以及导线，外壳具有封闭腔体；摩擦发电机构包括金属摩擦棒组，设置在所述封闭腔体的上下两端；滑块，呈中空状；所述滑块的顶面和底面分别为摩擦面，摩擦面镀有电极材料并覆有摩擦层；所述摩擦层与封闭腔体上下两端对应所述金属摩擦棒组滑动接触；所述电磁发电机构包括永磁体组，设有多组，位于滑块内侧的上下两端；安装板，贯穿滑块的中空，且两端与所述外壳固定连接；线圈，设有多组，位于安装板上，且与永磁体组相对设置；导线，连接电极材料以及连接线圈。本发明可以达到摩擦和电磁的复合发电，具有体积小，质量轻，便于携带的优点。

Description

一种摩擦电和电磁复合纳米发电机及其使用方法、应用

技术领域

本发明涉及摩擦纳米发电机技术领域，特别涉及一种摩擦电和电磁复合纳米发电机及其使用方法、应用。

背景技术

近年来，物联网和无线传感网络得到了长足的发展和大规模应用，为了解决复杂环境下的传感器供电问题，摩擦纳米发电机作为一种将环境中的机械能转化为电能的技术应运而生，因为其所采集的电能可以用于给各种低功耗器件供电，同时自身又可以充当自供电传感器。它基于摩擦电效应和静电感应效应的耦合作用，可以收集许多形式的机械能。它具有能量转换效率高、成本低、制造简单、重量轻、工艺环保等优点。在大规模能量收集中，摩擦纳米发电机的输出受制于庞大的内阻，呈现输出高电压低电流的特性，这限制了摩擦纳米发电机的大规模应用，提高其输出性能、扩大其应用范围是目前需要克服的一个难题，而电磁式发电机的低内阻的高电流低电压的输出特性可以很好的与摩擦纳米发电机相互弥补，两者组成复合式纳米发电机。

同时随着信息时代的到来，人们日益提高了对身体健康的重视程度，肢体检测可穿戴设备也日益走进人们的视野，可穿戴设备中包含的技术有人工智能、传感检测，电源能源管理等。而当前流行的肢体检测设备例如智能手表，运动手环，智能鞋垫等通常需要电池供电，其电池寿命以及随之带来的污染等方面使得它们的发展受到一定的限制。为了解决这一问题，我们可以采用由摩擦生电的方式，将人体运动产生的机械运动直接转化为电信号，并将电信号作为传感信号传输至计算机程序中利用算法进行数据分析和模式识别。

这种基于摩擦发电的纳米发电机的肢体检测器不需要使用传统的电池供电，因此可以避免使用电池带来的环境污染问题。同时，这种传感器可以通过人体运动来产生电信号，这意味着它可以在不同的使用场景下自主产生信号，而根本不需要任何电池的供电。

当传感器与算法结合时，通常，从不同物理机制的多个通道获得的信号可以提供更多维度的信息，从而改进算法分类流程，以此引入电磁发电机是很好的一种选择，在有限的体积内集成多种能量输出不仅可以使其收集能量的能力有所提高，同时作为传感器其输出的信号个数也是成倍增加，这可以有效提高算法识别的精度，值得注意的是，电磁发电机的高输出电流低输出电压以及低内阻可以很好的与摩擦电机相互弥补。

摩擦纳米发电机的原理是利用不同材料之间的摩擦产生电位差，使得电子定向流动，进而转化为电信号。这种传感器不仅体积小、结构简单、制造成本低，而且很容易再外界激励下都自主产生信号，非常适合用于肢体检测传感器中。

在过去的几年中，摩擦纳米发电机的研究已经取得了很大进展，其在许多领域中得到了广泛应用。在肢体检测领域，利用摩擦纳米发电机产生的电信号可以传输至计算机程序中利用算法进行数据分析和模式识别，实现了肢体动作的实时监测和分析。

总之，基于摩擦纳米发电机的肢体检测传感器不仅可以避免传统电池供电的问题，还可以在不同的使用场景下自主产生信号，实现了对肢体动作的实时监测和分析，具有很大的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种摩擦电和电磁复合纳米发电机及其使用方法、应用。本发明可以达到摩擦和电磁的复合发电，具有体积小，质量轻，便于携带的优点。此外，本发明还能够实现人体运动监测的效果。

本发明的技术方案：一种摩擦电和电磁复合纳米发电机，包括外壳，摩擦发电机构、电磁发电机构以及导线；

外壳具有封闭腔体，所述摩擦发电机构和电磁发电机构封装在外壳内；

摩擦发电机构包括：

金属摩擦棒组，设置在所述封闭腔体的上下两端，且两端与所述外壳转动配合；

滑块，呈中空状；所述滑块与所述金属摩擦棒的相对侧设有绝缘层，所述绝缘层的外表面镀有交叉指电极，所述交叉指电极的外表面覆盖有与所述金属摩擦棒相接触的摩擦层；

电磁发电机构包括：

永磁体组，设有多组，位于滑块内侧的上下两端；

安装板，贯穿滑块的中空，且两端与所述外壳固定连接；

线圈，设有多组，位于安装板上，且与永磁体组相对设置；

导线，连接电极材料以及连接线圈。

上述的摩擦电和电磁复合纳米发电机，所述外壳的材质为亚克力或聚乳酸；所述外壳的前后壁开设有通孔，所述安装板的两端插接在所述通孔内。

前述的摩擦电和电磁复合纳米发电机，所述金属摩擦棒组的材质为铜或铝，且两端设有轴承以和所述外壳转动连接。

前述的摩擦电和电磁复合纳米发电机，所述电极材料包括具有多指的第一电极与第二电极，所述第一电极和第二电极呈对向交叉设置。

前述的摩擦电和电磁复合纳米发电机，所述导线连接摩擦层的第一电极与第二电极的两端。

前述的摩擦电和电磁复合纳米发电机，所述摩擦层为聚四氟乙烯薄膜或聚酰亚胺薄膜。

前述的摩擦电和电磁复合纳米发电机，所述滑块的两端外侧面以及与滑块两端外侧面相对的外壳侧面上分别设有永磁体，且滑块侧面上的永磁体与其相对外壳侧面上的永磁体相斥。

前述的摩擦电和电磁复合纳米发电机，所述线圈组之间采用导线串联，线圈的材质为铜、铝或银。

前述的摩擦电和电磁复合纳米发电机的使用方法，包括以下步骤：

静止状态下，所述金属摩擦棒与摩擦层接触，金属摩擦棒均不带电，在金属摩擦棒与固定在滑块表面的摩擦层发生相对滑动时，因为两者电子亲和力的差异，金属摩擦棒失去电子带正电，摩擦层得到电子带负电，由于静电感应，在两交叉指状电极分别感应出正电荷和负电荷，在滑动过程中，两电极的电位随着金属摩擦棒的运动发生变化，电荷为保持平衡状态，通过外部电路发生电荷转移，产生电流；同时，滑块内侧的永磁体组和固定板中的线圈组发生位置变化，线圈切割磁感应线产生感应电流；

由置于所述滑块两端外侧面及所述外壳两端内侧槽内的永磁体对和整个滑块所组成的弹簧阻尼系统，在有外部振动信号输入时迅速反应，并减小外部振动带来的冲击。

前述的摩擦电和电磁复合纳米发电机的应用，由人体佩戴复合纳米发电机，通过采集人体运动时复合纳米发电机产生的电信号特征，并建立机器学习模型对电压信号的波形细节进行识别与分类以此形成用于人体运动的监测。

与现有技术相比，本发明的复合纳米发电机在工作时，外力使其内部的滑块产生水平方向的振荡，从而带动摩擦层发生水平位移，金属摩擦棒在摩擦层上摩擦，使得两种材料感应不同种电荷，并且发生相对位置变化，使得两电极产生电势差，形成电流；与此同时，永磁体随滑块运动，在滑块中间的串联的线圈切割磁感应线，从而产生感应电流，两者发出的电再经过外置电路输出到负载，由此本发明的集成两种纳米发电机的机制能有效地提高复合纳米发电机的发电效率。本发明在一个小型化器件里面同时集成了摩擦发电和电磁感应两种发电机制，具有体积小，质量轻，便于携带的优点。此外，本发明所述的交叉指状的电极材料有助于提高输出性能，金属摩擦棒组与摩擦层的相切线接触的滑动摩擦有助于降低摩擦层的损耗，放置在滑块左右两端外侧的磁铁与相对的外壳内侧磁铁组成磁性弹簧，两者相对面极性相斥，两磁铁弹簧与滑块组成弹簧阻尼系统，使得复合式纳米发电对外界振动响应更快，且系统稳定性提高。

附图说明

图1为本发明的正视截面图；

图2为本发明的侧视截面图；

图3是本发明电极材料的结构示意图；

图4为本发明等效原理结构示意图；

图5为本发明的工作原理示意图；

图6为本发明的等效电路图；

图7为本发明用以肢体障碍监测示意图；

图8为本发明复合纳米发电机用于可穿戴设备供电和人体运动监测使用机器学习的方法识别采集信号的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例1：一种摩擦电和电磁复合纳米发电机，如图1和图2所示，包括外壳100，摩擦发电机构、电磁发电机构以及导线500；

外壳100具有封闭腔体；所述摩擦发电机构和电磁发电机构封装在外壳内；外壳左右两端内侧设有凹槽，外壳前后两侧靠顶部与底部沿水平方向设有等距间隔的凹槽；

摩擦发电机构包括：

轴承组，固定在外壳前后两侧的等距凹槽内；

金属摩擦棒组101、102，具有多组，设置在所述封闭腔体的上下两端，且两端与所述外壳100转动配合，即由轴承组约束在所述封闭腔体的顶部与底部，水平等距布置；

滑块300，布置在所述封闭腔体内，且能够与所述金属摩擦棒作水平相对滑动，呈中空状，内侧设置凹槽阵列，两端外侧分别设置一个凹槽，与所述外壳内侧凹槽相对应；所述滑块300所述滑块与所述金属摩擦棒的相对侧设有绝缘层，所述绝缘层的外表面镀有交叉指电极，所述交叉指电极的外表面覆盖有与所述金属摩擦棒相接触的摩擦层301，302；

永磁体组301、302，设有多组，位于滑块300内侧的上下两端，即固定在所述滑块的内侧凹槽内；

安装板400，固定在所述封闭外壳的中心，贯穿滑块300的中空，上下两侧均有与所述滑块相同阵列的凹槽，且两端与所述外壳100固定连接；

线圈500，设有多组，位于安装板400的凹槽内上，且与永磁体组301、302相对设置；

导线，连接电极材料以及连接线圈。

本实施例中，所述外壳的材质应具有轻便、硬质、耐热等特征，如亚克力、聚乳酸等材料，优选为亚克力；所述外壳的前后壁开设有长方形通孔，用于固定安装板。所述金属摩擦棒组的材质为摩擦带电序列中容易失去电子且具备抗氧化性质的金属材料，如铜、铝等，且两端设有轴承以和所述外壳转动连接。如图3所示，所述电极材料包括具有多指的第一电极701与第二电极702，其中电极材料可以利用物理气相沉积方法在镀在摩擦层相对滑块的表面；所述第一电极和第二电极呈对向交叉设置，所述导线连接摩擦层的第一电极与第二电极的两端。所述摩擦层材质为摩擦带电序列中易得到电子的高分子聚合物薄膜材料，如聚四氟乙烯薄膜、聚酰亚胺薄膜等，优选聚四氟乙烯薄膜。所述滑块的两侧面以及与滑块两侧面相对的外壳侧面上分别设有永磁体600，且滑块侧面上的永磁体与其相对外壳侧面上的永磁体极性相斥。所述线圈组之间采用导线串联，线圈的材质为高导电率的金属材料，如铜、铝、银等，优选铜。本实施例中的永磁体组对称置于滑块内侧的上下两端，实现了摩擦纳米发电机和电磁发电机的复合。在外力作用下，滑块可以发生横向运动，使得金属摩擦棒在摩擦层上滚动；同时也带动永磁体组运动。

本实施例中的复合纳米发电机是可以固定在人的手臂或其他肢体上，从而收集人的手臂运动时的机械振荡，以转换为电能对负载供电或对电容充电。

本实施例的复合纳米发电机的一个工作单元参见图4，从上到下依次包括永磁体301，线圈500，永磁体302，金属摩擦棒102，摩擦层201和交叉指电极A、B(即第一电极701与第二电极702)。

本实施例的复合纳米发电机的工作过程参见图5。将初始状态和末态定义为金属摩擦棒组与电极A中的相邻两指对齐时的状态，末态则是金属摩擦棒组运动到与电极B相邻两指对齐的状态。在中间滑块移动期间，由于金属摩擦棒和摩擦层之间的电子亲和性差异，摩擦起电发生，高分子聚合物表面和金属摩擦棒表面上分别产生等量的负电荷和正电荷。在初始状态下，由于静电感应，分别在A和B上感应负电荷和正电荷。然后在移动期间，电极之间的电势差将被建立，A上的负电荷将通过外部电路转移到B，以保持平衡状态，直到达到最终状态。同时，当电磁发电机部分从初始状态移动到最终状态时，通过线圈的磁通量先增加然后减少，从而在线圈中感应电压以产生磁场。由于楞次定律，线圈中感应电流产生的磁场总是阻碍磁通量的变化。

本实施例的复合纳米发电机的阻尼件(即永磁体600)参见图2，在滑块发生周期性移动时，嵌入外壳侧面中的永磁体磁场与滑块侧面中的永磁体磁场相互作用，可提高系统响应速度，放大了振荡频率和振幅，提高了复合发电机工作稳定性和效率，并减小外部振动带来的冲击，降低噪声，提高使用寿命。

本实施例的复合纳米发电机采用的电路参见图6。此电路先采用由四个二极管组成的整流桥，将电磁发电机和摩擦纳米发电机整流过后的信号接入到芯片LTC3588-2芯片的PZ1和PZ2引脚上，通过选择D0，D1口的通断来控制直流电压的输出，即可做到相应的数几伏特的电压输出。

本实例中的复合纳米发电机，还可以包括整流器。发电机产生的电流经过导线与整流器的输入端相连接，整流器的输出端为复合纳米发电机的输出端。这样的复合纳米发电机可以输出直流电信号，为各种电子器件提供工作电源或为其充电。

实施例2：本实施例提供一种采用实施例1中复合纳米发电机用于肢体检测，其包括一个复合纳米发电机、信号处理电路和一个运动状态分类算法。信号处理电路包括前置放大器、滤波器和运算放大器等部分，其中前置放大器可以将器件产生的微小电信号放大到合适的电平，滤波器可以滤除不必要的信号干扰，运算放大器可以进一步放大信号，以保证信号的准确性和稳定性。

运动状态分类算法是用于对肢体运动状态进行实时监测和分类的算法。该算法基于机器学习技术，可以对从摩擦纳米发电中获取的信号进行分析，识别出肢体的不同运动状态，如静止、走路、跑步等。算法采用深度学习神经网络，通过对大量的肢体运动数据进行训练，可以有效地提高运动状态分类的准确性和鲁棒性。

本实施例中的复合纳米发电机在静止状态下，复合纳米发电机所述金属摩擦棒与摩擦层接触，金属摩擦棒均不带电；

在运动时，滑块产生水平方向的振荡，从而带动摩擦层发生水平位移，金属摩擦棒在摩擦层工作面上摩擦，引发电极材料中的电势差，形成电流，通过与电极端连接的导线向负载传递；与此同时，永磁体随滑块运动，在滑块中间的串联的线圈内产生变化的磁场，从而产生感应电流，经导线向负载传递。

因此本实施例中的电压信号经过信号处理电路的放大和滤波处理后，可以传输到运动状态分类算法进行分析分类。

具体的，算法流程如下：

1、原始数据采集&数据分析思路：

采用摩擦纳米发电机或电磁发电机收集的信号是时域相关的信号，在一个示波器的采样周期里做多次动作，采集组数据，用于建立机器学习模型，并验证模型的可靠性；无论是摩擦发电机构或电磁发电机构，原始信号是电压关于时间的响应关系，在这个过程中，判断何时发生了动作，是分析的难点，需要采用合适的特征值提取方式和算法；

2、数据预处理流程：

2.1、首先对原始的脉冲信号序列，求一阶导数，然后根据一阶段倒数求区域极值；

2.2、根据区域极值对应的时间点，提取周围等长的数据，作为一个电极的特征值；

2.3、将摩擦电通道和电磁发电通道的特征值融合,共同作为一个共同的特征值；

2.4、多通道的数据融合,有利于包含更多的信息,更好提高分类结果；

3、数据划分；

3.1、采用常规方法70％训练，15％测试，15％验证；

4、分类；

4.1、在上述过程中,即使根据导数提取了区域极值，但仍不能确保时间完全对齐,因此采用有能力处理时域漂移的算法,即transformer算法；Transformer算法是一种基于注意力机制的神经网络模型，可以有效地处理序列数据，特别是在自然语言处理等领域中已经得到广泛应用。本发明提供的方法将其应用于脉冲信号识别中，可以充分挖掘信号中的时序信息和关联特征，从而提高模型的准确性和鲁棒性。

4.2、在Transformer模型中，使用自注意力机制和全连接层等模块，对脉冲信号进行特征提取和处理；

4.3、Transformer会将数据划分成小段,然后比较它们的信息,并排序；

4.4、将处理后的特征向量输入到输出层，进行分类任务。

本实施例中所描述的复合纳米发电机用于肢体检测，可以实现对肢体动作的实时监测和分析，具有很大的应用前景。该技术可以应用于健身、医疗等领域，为人们的健康提供有效的监测手段。

实施例3：为了演示实施例2中复合纳米发电机在肢体检测方面的应用，本实施例给予了手势识别系统。该系统由一个智能手环和一个连接计算机的应用程序组成。智能手环上安装了有实施例1中所提及的复合纳米发电机，用于采集手势运动时产生的电信号。

当用户进行手势操作时，智能手环通过复合纳米发电机产生的电信号将数据传输给计算机应用程序，应用程序对传感数据进行实时处理并使用机器学习算法进行分类和识别。

使用了支持向量机(SVM)算法来对手势数据进行分类和识别。对算法进行了训练，使其能够区分不同的手势，如握拳、摆手等。当手势被识别时，计算机应用程序会给出相应的反馈，如发送文字信息或者控制其他设备的操作。

通过这个实施例，本发明展示了摩擦纳米发电机在肢体检测方面的潜力，同时也展示了算法在这个领域的应用和价值。

实施例4：本实施例提供一种采用实施例1中复合纳米发电机的运动鞋，将复合纳米发电机嵌入到运动鞋中，将复合纳米发电机的输出端通过导线引出鞋子本体外，可以在引出点设置导体片用作供电接触点。

本发明的复合纳米发电机可以嵌入放置在鞋底中，也可以在鞋面放置。复合纳米发电机的输出端通过导线引出到鞋体表面，导线连接导体片或其他通用型插电接口用于其他设备的充电。

复合纳米发电机可以在鞋子制作塑注成型过程中直接置入，也可预留位置供后续取出或更换。

通过将实施例3中的复合纳米发电机组置入运动鞋中，以获得较高的输出。

当用户行走时，复合纳米发电机将抬脚或落脚时产生的机械振动能量转化为电信号，为穿戴设备提供能量。这种设计可以使用户在行走或者运动时无需担心设备电量不足的问题。

本实施例中，所述的复合纳米发电机充当了鞋的一部分，将人体行走时的机械能转变为电能，通过能量管理电路将不规则的复杂电信号变换为直流输出为电子器件提供电源或充电。

本实施例中，复合纳米发电机产生的电信号不仅可以通过能量管理电路为电子器件提供电源或充电，还可以参考实施例2中使用机器学习算法识别电信号，以此分辨用户的步态和运动方式。通过收集和分析这些数据，可以提供实时的运动状态、健身数据和跑步速率等信息，帮助用户更好地了解自己的健康状况。

综上所述，本发明可以达到摩擦和电磁的复合发电，具有体积小，质量轻，便于携带的优点。此外，本发明还能够实现人体运动监测的效果，具有广阔的应用前景。

Claims (10)

1.一种摩擦电和电磁复合纳米发电机，其特征在于：包括外壳，摩擦发电机构、电磁发电机构以及导线；

外壳具有封闭腔体，所述摩擦发电机构和电磁发电机构封装在外壳内；

摩擦发电机构包括：

金属摩擦棒组，设置在所述封闭腔体的上下两端，且两端与所述外壳转动配合；

滑块，呈中空状；所述滑块与所述金属摩擦棒的相对侧设有绝缘层，所述绝缘层的外表面镀有交叉指电极，所述交叉指电极的外表面覆盖有与所述金属摩擦棒相接触的摩擦层；

电磁发电机构包括：

永磁体组，设有多组，位于滑块内侧的上下两端；

安装板，贯穿滑块的中空，且两端与所述外壳固定连接；

线圈，设有多组，位于安装板上，且与永磁体组相对设置；

导线，连接电极材料以及连接线圈。

2.根据权利要求1所述的摩擦电和电磁复合纳米发电机，其特征在于：所述外壳的材质为亚克力或聚乳酸；所述外壳的前后壁开设有通孔，所述安装板的两端插接在所述通孔内。

3.根据权利要求1所述的摩擦电和电磁复合纳米发电机，其特征在于：所述金属摩擦棒组的材质为铜或铝，且两端设有轴承以和所述外壳转动连接。

4.根据权利要求1所述的摩擦电和电磁复合纳米发电机，其特征在于：所述电极材料包括具有多指的第一电极与第二电极，所述第一电极和第二电极呈对向交叉设置。

5.根据权利要求1所述的摩擦电和电磁复合纳米发电机，其特征在于：所述导线连接摩擦层的第一电极与第二电极的两端。

6.根据权利要求1所述的摩擦电和电磁复合纳米发电机，其特征在于：所述摩擦层为聚四氟乙烯薄膜或聚酰亚胺薄膜。

7.根据权利要求1所述的摩擦电和电磁复合纳米发电机，其特征在于：所述滑块的两端外侧面以及与滑块两端外侧面相对的外壳侧面上分别设有永磁体，且滑块侧面上的永磁体与其相对外壳侧面上的永磁体相斥。

8.根据权利要求1所述的摩擦电和电磁复合纳米发电机，其特征在于：所述线圈组之间采用导线串联，线圈的材质为铜、铝或银。

9.根据权利要求1-8任一项所述的摩擦电和电磁复合纳米发电机的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

静止状态下，所述金属摩擦棒与摩擦层接触，金属摩擦棒均不带电，在金属摩擦棒与固定在滑块表面的摩擦层发生相对滑动时，因为两者电子亲和力的差异，金属摩擦棒失去电子带正电，摩擦层得到电子带负电，由于静电感应，在两交叉指状电极分别感应出正电荷和负电荷，在滑动过程中，两电极的电位随着金属摩擦棒的运动发生变化，电荷为保持平衡状态，通过外部电路发生电荷转移，产生电流；同时，滑块内侧的永磁体组和固定板中的线圈组发生位置变化，线圈切割磁感应线产生感应电流；

由置于所述滑块两端外侧面及所述外壳两端内侧槽内的永磁体对和整个滑块所组成的弹簧阻尼系统，在有外部振动信号输入时迅速反应，并减小外部振动带来的冲击。

10.根据权利要求1-8任一项所述的摩擦电和电磁复合纳米发电机的应用，其特征在于：由人体佩戴复合纳米发电机，通过采集人体运动时复合纳米发电机产生的电信号特征，并建立机器学习模型对电压信号的波形细节进行识别与分类以此形成用于人体运动的监测。

Images