[发明专利]一种摩擦纳米发电机的力电耦合分析方法

说明书

本发明公开了一种摩擦纳米发电机的力电耦合分析方法，包括以下步骤：将两片摩擦纳米发电机安装到实验台上，使两片发电机能发生接触和分离运动，对其进行力学和电学测试，得到受力和位移间的关系图以及电压输出数据；分别建立两片摩擦纳米发电机在接触和分离时的键合图模型，推导出系统状态方程；通过实验数据求取键合图模型中对应的具体参数数值，代入状态方程求解数学模型，将键合图模型转化为对应的方块图；结合数学模型和方块图，建立仿真模型，得到仿真电压数据，将仿真电压数据和电压输出数据进行比较，验证键合图模型的有效性；分析键合图模型的不同参数，得到不同参数对摩擦纳米发电机输出性能产生的影响；本发明能简便分析出发电机的工作机理。

技术领域

本发明涉及纳米能源技术领域，特别是一种摩擦纳米发电机的力电耦合分 析方法。

背景技术

摩擦纳米发电机自王中林院士及其团队2012年发明以来，便在能源与传感 领域取得了惊人的发展和应用。摩擦纳米发电技术的核心原理是接触起电和静 电感应的耦合。而其中接触起电俗称摩擦电，早在2600年以前就出现了记载， 但是直到目前为止，有关接触起电的科学解释还没有达成共识。其原因是接触 起电本身作用机理复杂，涉及力、电、磁、介质极化等等多物理量耦合作用。 不仅理论复杂，而且在实际实验操作中有关性能控制的实验效果往往都不理想， 且费时费力。

随着科学技术的发展，各种各样的工程系统越来越复杂，既有系统本身的 结构复杂化，也有多物理量耦合作用。目前摩擦纳米发电机的等效电路模型是 理想电压源和电容的串联，该模型只涉及摩擦纳米发电机工作过程的电路元件， 并不能充分描述摩擦纳米发电机的工作机理，如果单纯依靠建立数学模型来描 述摩擦纳米发电机的工作过程，由于多物理量耦合作用，所建立的数学模型不 仅非常复杂，而且往往难以求解。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳 实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省 略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不 能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有的摩擦纳米发电机工作机理难解中存在的问题，提出了 本发明。

因此，本发明所要解决的问题在于现有技术中研究摩擦纳米发电机的工作 机理的模型太复杂，难以求解，而本发明提供一种摩擦纳米发电机的力电耦合 分析方法，其能简便地分析出摩擦纳米发电机的工作机理。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种摩擦纳米发电机的 力电耦合分析方法，其包括以下步骤，

将两片摩擦纳米发电机安装到实验台上，使两片发电机能发生接触和分离 运动，对其进行力学和电学测试，测试时两片摩擦纳米发电机发生接触和分离 运动，得到受力和位移间的关系图以及摩擦纳米发电机的电压输出数据；

分别建立两片摩擦纳米发电机在接触和分离时的键合图模型，推导出系统 状态方程；

将键合图模型转化为对应的方块图，结合方块图和实际运行条件，建立摩 擦纳米发电机动态仿真模型；

通过实验数据来求取键合图模型所对应的具体参数数值，代入动态仿真模 型，得到仿真实验中的电压数据，将仿真实验中的电压数据和实际实验得到的 电压输出数据进行比较，验证键合图模型的有效性；

分析键合图模型的不同参数，得到不同参数对摩擦纳米发电机输出性能产 生的影响。

作为本发明的进一步改进，两片摩擦纳米发电机接触时的键合图模型为， 设系统状态变量X＝[p₂ q₅ q₉]^T，输入变量U＝[Se₁]；

各储能元件特性方程如下：

各阻性元件特性方程如下：