本實用新型屬于摩擦發(fā)電技術(shù)領域，具體涉及一種摩擦發(fā)電式位移檢測裝置與能量收集系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在安全監(jiān)測、設備運行等領域中，保持設備或物體的定位，使其不發(fā)生相對移動具有重要意義?，F(xiàn)有的位移傳感器或位移檢測裝置多基于機械、磁感應和光學原理，具有較為復雜的機械和電子結(jié)構(gòu)，不僅制造成本高，而且對應用環(huán)境的電磁防護、清潔程度等有較為嚴格的要求。此外，機械設備在運行過程中產(chǎn)生機械振動，該振動所具有的機械能多數(shù)情況下都未能回收利用，造成了能源的浪費。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于上述全部或部分問題，本實用新型提供一種摩擦發(fā)電式位移檢測裝置，能夠檢測被測對象與參照對象之間是否發(fā)生相對位移，其制造成本較低，對應用環(huán)境要求較低，并且能夠回收一部分機械設備運行過程中產(chǎn)生的機械振動能以節(jié)約能源。另外，本實用新型還提供一種能量收集系統(tǒng)，以能量的形式存儲摩擦發(fā)電式位移檢測裝置產(chǎn)生的電信號。

根據(jù)本實用新型的第一方面，提供了一種摩擦發(fā)電式位移檢測裝置，其包括：殼體；設于所述殼體內(nèi)且相互接觸的第一摩擦發(fā)電單元和第二摩擦發(fā)電單元；與被測對象相連的第一牽引部件和與參照對象相連的第二牽引部件；以及沿著所述預設方向設置在所述殼體內(nèi)的第一彈性復位件，所述第一彈性復位件設于所述殼體和所述第一摩擦發(fā)電單元之間。其中，當所述被測對象相對于所述參照對象沿著所述預設方向運動時，所述第一摩擦發(fā)電單元在所述第一牽引部件的作用下相對于所述第二摩擦發(fā)電單元沿著所述預設方向滑動，并壓縮所述第一彈性復位件，以使所述第一摩擦發(fā)電單元和第二摩擦發(fā)電單元在相對滑動過程中產(chǎn)生電信號。

進一步地，在所述殼體朝向所述第一摩擦發(fā)電單元的內(nèi)壁上設有多個支撐凸起，和/或在所述殼體朝向所述第二摩擦發(fā)電單元的內(nèi)部上設有多個支撐凸起。

進一步地，所述第一摩擦發(fā)電單元包括相互接合的第一電極和第一高分子聚合物層，而所述第二摩擦發(fā)電單元包括相互接合的第二電極和第二高分子聚合物層，其中所述第一高分子聚合物層和第二高分子聚合物層相對且接觸的表面構(gòu)成摩擦界面，以用于產(chǎn)生所述電信號；

進一步地，所述摩擦界面中的一個表面具有摩擦凸起，所述摩擦界面中的另一個表面具有能夠容納所述摩擦凸起的摩擦凹槽，所述摩擦凹槽設置成能夠允許所述摩擦凸起沿著所述預設方向運動并與所述摩擦凸起始終接觸。

進一步地，所述摩擦發(fā)電式位移檢測裝置還包括沿著所述預設方向設置在所述殼體的內(nèi)壁與第二摩擦發(fā)電單元之間的第二彈性復位件；所述第一牽引部件沿著預設方向貫穿所述殼體且與所述第一摩擦發(fā)電單元相連，而所述第二牽引部件沿著所述預設方向的反向貫穿所述殼體且與所述第二摩擦發(fā)電單元相連；其中，當所述被測對象相對于所述參照對象沿著所述預設方向運動時，所述第一牽引部件將沿著所述預設方向牽引所述第一摩擦發(fā)電單元，而所述第二牽引部件將沿著所述預設方向的反向牽引所述第二摩擦發(fā)電單元，使得所述第一摩擦發(fā)電單元相對所述殼體沿著所述預設方向運動，并壓縮所述第一彈性復位件，而所述第二摩擦發(fā)電單元相對所述殼體沿著預設方向的反向運動，并壓縮所述第二彈性復位件。

進一步地，所述第一摩擦發(fā)電單元還包括與所述第一電極的遠離所述第一高分子聚合物層的表面相連的第一絕緣基板，所述第二摩擦發(fā)電單元還包括與所述第二電極的遠離所述第二高分子聚合物層的表面相連的第二絕緣基板；其中，所述第一絕緣基板與第一牽引部件相連，所述第一彈性復位件的一端與所述殼體的內(nèi)壁相接觸或相連，而其另一端與所述第一絕緣基板相接觸或相連；所述第二絕緣基板與所述第二牽引部件相連，所述第二彈性復位件的一端與所述殼體的內(nèi)壁相接觸或相連，而其另一端與所述第二絕緣基板相接觸或相連。

進一步地，所述第一高分子聚合物層和所述第一電極均為與預設方向相平行的平板結(jié)構(gòu)，第一絕緣基板具有與所述第一電極平行相接的第一絕緣式平板部，以及連接所述第一絕緣式平板部和第一牽引部件的第一銜接式平板部，其中所述第一絕緣式平板部和第一銜接式平板部垂直，所述第一彈性復位件的一端與所述第一銜接式平板部相接觸或相連，而其另一端與所述殼體的內(nèi)壁相接觸或相連；所述第二高分子聚合物層和所述第二電極均為與預設方向相平行的平板結(jié)構(gòu)，所述第二絕緣基板具有與所述第二電極平行相接的第二絕緣式平板部，以及連接所述第二絕緣式平板部和第二牽引部件的第二銜接式平板部，所述第二銜接式平板部和第二絕緣式平板部垂直，其中所述第二彈性復位件的一端與所述第二銜接式平板部接觸或相連，而其另一端與所述殼體的內(nèi)壁相接觸或相連。

進一步地，所述第一高分子聚合物層是與所述預設方向平行的平板結(jié)構(gòu)，所述第一電極具有與所述第一高分子聚合物層相接合的第一導電式平板部，以及連接所述第一導電平板部和第一牽引部件的第三銜接式平板部，其中所述第三銜接式平板部和第一導電式平板部垂直，所述第一彈性復位件的一端與所述殼體的內(nèi)壁相接觸或相連，而其另一端與所述第三銜接式平板部接觸或相連；所述第二高分子聚合物層是與所述預設方向平行的平板結(jié)構(gòu)，所述第二電極具有與所述第二高分子聚合物層相接合的第二導電式平板部，以及連接所述第二導電平板部和第二牽引部件的第四銜接式平板部，所述第四銜接式平板部和第二導電式平板部垂直，其中所述第二彈性復位件的一端與所述第四銜接式平板部接觸或相連，而其另一端與所述殼體的內(nèi)壁相接觸或相連。

進一步地，所述殼體的外形是立方體形或長方體形，所述預設方向與所述殼體的六個面中的兩個相對面垂直。

進一步地，所述殼體包括具有開口端和封閉端的桶體及扣合在所述桶體的開口端上的且能夠相對所述桶體在預定范圍內(nèi)軸向移動的蓋體，其中所述預設方向與所述殼體的軸線相平行，所述第一牽引部件與所述蓋體的封閉端相連，所述第二牽引部件與所述桶體相連；第一電極是同軸地設于所述桶體內(nèi)的筒結(jié)構(gòu)狀或柱狀結(jié)構(gòu)，所述第一高分子聚合物層、第二高分子聚合物層和第二電極是由內(nèi)向外依次套設在所述第一電極外的三層筒狀結(jié)構(gòu)，其中所述第二電極通過絕緣套與所述桶體的內(nèi)壁相連，所述第一電極通過絕緣墊與所述蓋體的內(nèi)壁相連，所述第一彈性復位件的一端與所述第一摩擦單元的端部相連，而其另一端與所述桶體的封閉端內(nèi)壁相連；其中，當所述被測對象相對于所述參照對象沿著所述預設方向運動時，所述第一牽引部件將沿著所述預設方向牽引所述蓋體和所述第一摩擦發(fā)電單元，而所述第二牽引部件將沿著所述預設方向的反向牽引所述桶體和所述第二摩擦發(fā)電單元，使得所述蓋體和所述第一摩擦發(fā)電單元相對于所述桶體和所述第二摩擦發(fā)電單元沿著所述預設方向運動，而所述第一彈性復位件在所述桶體和第一摩擦發(fā)電單元的作用下被拉伸。

進一步地，在所述桶體的開口端上設有朝向所述蓋體的內(nèi)周壁延伸的所述第一防脫凸緣，在所述蓋體的開口端上設有朝向所述桶體外周邊延伸的第二防脫凸緣，當所述蓋體扣合到所述桶體上后，所述第二防脫凸緣比所述第一防脫凸緣更靠近所述桶體的封閉端，且所述第一防脫凸緣與所述第二防脫凸緣之間的最大間距等于所述預定范圍。

進一步地，所述摩擦發(fā)電式位移檢測還包括沿著預設方向布置的第二彈性復位件，所述第二彈性復位件的一端與所述桶體的開口端相連，而其另一端與所述蓋體的底部內(nèi)壁相連。

進一步地，所述殼體的材料為絕緣材料；或者所述殼體的材料是導電材料，所述第一牽引部件和第二牽引部件、第一彈性復位件是絕緣材料。

本實用新型的摩擦發(fā)電式位移檢測裝置在檢測被測對象相對參照對象產(chǎn)生位移時，第一摩擦發(fā)電單元在第一引部件作用下被迫相對于第二摩擦發(fā)電單元沿著預設方向滑動，以使第一摩擦發(fā)電單元和第二摩擦發(fā)電單元在相對滑動過程中產(chǎn)生電信號，該電信號適合作為位移測定參數(shù)和以電能的形式輸出。與現(xiàn)有技術(shù)基于機械、磁感應和光學原理的位移傳感器相比，本實用新型的摩擦發(fā)電式位移檢測裝置具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、無需電源、抗干擾能力強，適用范圍廣的諸多優(yōu)點。并且，該摩擦發(fā)電式位移檢測裝置還可用于收集低頻和高頻的機械振動能，發(fā)電效率高。

同時，當?shù)谝荒Σ涟l(fā)電單元相對于第二摩擦發(fā)電單元沿著預設方向滑動結(jié)束后，且被測對象和參照對象中至少一個已不對第一牽引部件或第二牽引部件施加作用力時，彈性變形的第一彈性復位件至少能夠通過自身彈力將第一摩擦發(fā)電單元(或者第一和第二摩擦發(fā)電單元)恢復到原始位置，以保證該裝置能夠順利進行下一次的檢測。

此外，本實用新型的摩擦發(fā)電式位移檢測裝置的結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，使用安全可靠，便于實施推廣應用。

根據(jù)本實用新型的第二方面，提供了一種能量收集系統(tǒng)，其包括根據(jù)本實用新型第一方面所述的摩擦發(fā)電式位移檢測裝置以及儲能裝置；其中，所述第一電極和第二電極構(gòu)成信號輸出端；所述儲能裝置對所述電信號進行儲存。

進一步地，所述的能量收集系統(tǒng)還包括整流裝置，所述整流裝置分別與所述摩擦發(fā)電式位移檢測裝置和所述儲能裝置相連，用于對所述電信號進行整流處理后儲存。

本實用新型的能量收集系統(tǒng)能夠通過本實用新型的第一方面所述摩擦發(fā)電式位移檢測裝置來收集機械振動能量，并且同時適用于低頻和高頻振動的能量收集，發(fā)電效率高。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型具體實施方式或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對具體實施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。在所有附圖中，類似的元件或部分一般由類似的附圖標記標識。附圖中，各元件或部分并不一定按照實際的比例繪制。

圖1是本實用新型實施例一的摩擦發(fā)電式位移檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實用新型實施例二的摩擦發(fā)電式位移檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3a是本實用新型實施例三的摩擦發(fā)電式位移檢測裝置的徑向剖視圖；

圖3b是本實用新型實施例三的摩擦發(fā)電式位移檢測裝置的軸向剖視圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本實用新型技術(shù)方案的實施例進行詳細的描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本實用新型的技術(shù)方案，因此只作為示例，而不能以此來限制本實用新型的保護范圍。

實施例一

圖1是本實用新型實施例一的摩擦發(fā)電式位移檢測裝置10a的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，該摩擦發(fā)電式位移檢測裝置10a包括殼體3、設于殼體3 內(nèi)的第一摩擦發(fā)電單元1、設于殼體3內(nèi)且與第一摩擦發(fā)電單元1相接觸的第二摩擦發(fā)電單元2、沿著預設方向S1貫穿殼體3的且與第一摩擦發(fā)電單元1相連的第一牽引部件4和沿著預設方向S1的反向貫穿殼體3且與第二摩擦發(fā)電單元2相連的第二牽引部件5，以及設置在殼體3的內(nèi)壁與第一摩擦發(fā)電單元1之間的第一彈性復位件6。第一牽引部件4和第二牽引部件5 用于分別與被測對象和參照對象相連。其中，第一彈性復位件6和下文所述的第二彈性復位件7皆可以是彈簧、橡膠和硅膠等具有高彈性性能的部件。

根據(jù)本實用新型，當被測對象相對于參照對象沿著預設方向S1運動時，第一牽引部件4將沿著預設方向S1牽引第一摩擦發(fā)電單元1，而第二牽引部件5將沿著預設方向S1的反向牽引第二摩擦發(fā)電單元2，使得第一摩擦發(fā)電單元1相對殼體3沿著預設方向S1運動，并壓縮第一彈性復位件6，而第二摩擦發(fā)電單元2相對殼體3沿著預設方向的反向運動，其中第一摩擦發(fā)電單元1在第一牽引部件4的作用下被迫相對第二摩擦發(fā)電單元2滑動，以使第一摩擦發(fā)電單元1和第二摩擦發(fā)電單元2在相對滑動過程中產(chǎn)生適合作為位移測定參數(shù)和電能的電信號。當?shù)谝荒Σ涟l(fā)電單元1相對于第二摩擦發(fā)電單元2沿著設定方向S1滑動結(jié)束后，且被測對象和參照對象中至少一個已不對第一牽引部件4或第二牽引部件5施加作用力時，壓縮狀態(tài)下的第一彈性復位件6可通過自身彈力將第一摩擦發(fā)電單元1推回到原始位置，以保證該裝置10a能夠順利進行下一次的檢測。

也就是說，當被測對象與參考對象發(fā)生相對移動時，本實用新型實施例一的摩擦發(fā)電式位移檢測裝置10a通過第一摩擦發(fā)電單元1和第二摩擦發(fā)電單元2產(chǎn)生適合作為位移測定參數(shù)和電能的電信號，與現(xiàn)有技術(shù)基于機械、磁感應和光學原理的位移傳感器相比，具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、無需電源、抗干擾能力強，適用范圍廣的諸多優(yōu)點。并且，該摩擦發(fā)電式位移檢測裝置10a還可用于收集低頻和高頻的機械振動能，發(fā)電效率高。

為了防止第一摩擦發(fā)電單元1和第二摩擦發(fā)電單元2之間出現(xiàn)短接現(xiàn)象，對該裝置內(nèi)的部件按照如下方式之一設置：第一，殼體3的材料為絕緣材料；第二，殼體3的材料是導電材料，第一牽引部件4和第二牽引部件5、第一彈性復位件6皆是絕緣材料。

第一摩擦發(fā)電單元1和第二摩擦發(fā)電單元2的組合屬于一種摩擦發(fā)電機，其可以選為三層結(jié)構(gòu)的摩擦發(fā)電機，也可選為四層結(jié)構(gòu)的摩擦發(fā)電機，或者是更多層的摩擦發(fā)電機。在圖1所示的優(yōu)選實施例中，第一摩擦發(fā)電單元1可包括相互接合的第一電極11和第一高分子聚合物層12，而第二摩擦發(fā)電單元2可包括相互接合的第二電極21和第二高分子聚合物層22，其中第一高分子聚合物層12和第二高分子聚合物層22相對且接觸的表面構(gòu)成摩擦界面，第一摩擦發(fā)電單元1相對于第二摩擦發(fā)電單元2滑動時，摩擦界面中兩個表面因摩擦而產(chǎn)生上述電信號。第一電極11和第二電極21構(gòu)成該裝置10a的信號輸出端。

為了增強發(fā)電效率并提高該裝置10a的靈敏度，該摩擦界面中的一個表面具有摩擦凸起12c，而摩擦界面中的另一個表面具有能夠容納摩擦凸起12c 的摩擦凹槽22c，其中該摩擦凹槽22c設置成能夠允許摩擦凸起12c沿著預設方向S1運動并與摩擦凸起12c始終接觸。當?shù)谝荒Σ涟l(fā)電單元1相對于第二摩擦發(fā)電單元2沿著預設方向S1滑動時，摩擦凸起12c被迫在摩擦凹槽22c內(nèi)將沿著預設方向S1接觸式滑動，摩擦凸起12c和摩擦凹槽22c產(chǎn)生一部分電信號，摩擦界面中除摩擦凸起12c和摩擦凹槽22c之余的部分產(chǎn)生另一部分電信號。與平面的摩擦界面相比，摩擦凸起12c和摩擦凹槽22c 能夠增加摩擦界面中兩個表面的接觸面積，有利于提高第一摩擦發(fā)電單元1 和第二摩擦發(fā)電單元2之間電信號的輸出。其中，摩擦凸起12c和摩擦凹槽 22c既可以是分布在摩擦表面的棋盤式結(jié)構(gòu)，也可以是與預設方向S1相平行的長條狀溝槽結(jié)構(gòu)。

第二摩擦發(fā)電單元2在相對于殼體3移動后即便不恢復到原始位置也不導致該裝置10a無法輸出電信號。但為了讓該裝置10a能夠在反復使用過程中高效穩(wěn)定地輸出電信號，移動后的第二摩擦發(fā)電單元2最好可順利恢復到原始位置。為了實現(xiàn)這一目的，該裝置10a可還包括沿著預設方向S1布置的且設置在殼體3的內(nèi)壁與第二摩擦發(fā)電單元2之間的第二彈性復位件7。其中，第一彈性復位件6和第二彈性復位件7設于第一摩擦發(fā)電單元1和第二摩擦發(fā)電單元2的組合體的兩側(cè)，當?shù)谝荒Σ涟l(fā)電單元1相對第二摩擦發(fā)電單元2沿著預設方向S1滑動時，第一摩擦發(fā)電單元1相對殼體3沿著預設方向S1運動，并壓縮第一彈性復位件6，而第二摩擦發(fā)電單元2相對殼體3沿著預設方向S1的反向運動，并壓縮第二彈性復位件7。當?shù)谝荒Σ涟l(fā)電單元1相對于第二摩擦發(fā)電單元2沿著設定方向S1滑動結(jié)束后，且被測對象和參照對象中至少一個已不對第一牽引部件4或第二牽引部件5施加作用力時，壓縮狀態(tài)下的第一彈性復位件6可通過自身彈力將第一摩擦發(fā)電單元1推回到原始位置，而壓縮狀態(tài)下的第二彈性復位件7可通過自身彈力將第二摩擦發(fā)電單元2推回到原始位置，以保證該裝置10a能夠在反復使用過程中高效穩(wěn)定地輸出電信號。

第一高分子聚合物層12是與預設方向S1平行的平板結(jié)構(gòu)，第一電極 11具有與第一高分子聚合物層12相接合的第一導電式平板部11a，以及連接第一導電平板部11a和第一牽引部件4的第三銜接式平板部11b。其中，第三銜接式平板部11b和第一導電式平板部11a垂直，第一彈性復位件6的一端與殼體3的內(nèi)壁相接觸或相連，而其另一端與第三銜接式平板部11b接觸或相連。其中，第三銜接式平板部11b有利于第一彈性復位件6和第一牽引部件4簡單可靠地布置在殼體3內(nèi)，以保證第一彈性復位件6和第一牽引部件4能夠順利執(zhí)行各自的功能。

第二高分子聚合物層22是與預設方向S1平行的平板結(jié)構(gòu)，第二電極 21具有與第二高分子聚合物層22相接合的第二導電式平板部21a，以及連接第二導電平板部21a和第二牽引部件5的第四銜接式平板部21b，第四銜接式平板部21b和第二導電式平板部21a垂直，其中第二彈性復位件7的一端與第四銜接式平板部21b接觸或相連，而其另一端與殼體3的內(nèi)壁相接觸或相連。其中，第四銜接式平板部21b有利于第二彈性復位件7和第二牽引部件5簡單可靠地布置在殼體3內(nèi)，以保證第二彈性復位件7和第二牽引部件5能夠順利執(zhí)行各自的功能。

殼體3的外形無需特別限定，既可以是常規(guī)形狀，也可以是非常規(guī)形狀，只要不影響第一摩擦發(fā)電單元1和第二摩擦發(fā)電單元2的相對運動即可。不過在本實施例中，為了方便將上文形式的第一摩擦發(fā)電單元1和第二摩擦發(fā)電單元2布置在殼體3內(nèi)，殼體3優(yōu)選為立方體形或長方體形，而預設方向 S1與殼體3的六個面中的兩個相對面垂直。通過這種方式，一方面是有利于降低殼體3的加工難度而節(jié)約殼體3的制造成本，另一方面是讓上文形式的第一摩擦發(fā)電單元1和第二摩擦發(fā)電單元2極易布置在殼體3內(nèi)，并且殼體3基本上不易干擾第一摩擦發(fā)電單元1和第二摩擦發(fā)電單元2的相對運動。

在圖1所示實施例中，在殼體3朝向第一摩擦發(fā)電單元1的內(nèi)壁上設有多個支撐凸起8，和/或在殼體3朝向第二摩擦發(fā)電單元2的內(nèi)壁上設有多個支撐凸起8。支撐凸起8對第一摩擦發(fā)電單元1和/或第二摩擦發(fā)電單元2進行支撐，避免第一摩擦發(fā)電單元1和/或第二摩擦發(fā)電單元2與殼體3進行大面積的摩擦，以阻礙二者的相對滑動，有利于提高該裝置10a的電信號的輸出，進而提高該裝置10a的靈敏度。支撐凸起8的形狀不做特別限定，不過優(yōu)選半球體狀或半圓柱狀，以降低其自身與第一摩擦發(fā)電單元1或第二摩擦發(fā)電單元2之間的摩擦面積，有利于進一步提高該裝置10a的靈敏度。需要說明的是，當殼體3是導電材料時，所述支撐凸起8應是絕緣材料，以防止第一摩擦發(fā)電單元1和第二摩擦發(fā)電單元2之間出現(xiàn)短接現(xiàn)象。

實施例二

圖2是本實用新型實施例二的摩擦發(fā)電式位移檢測裝置10b的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1和圖2所示，實施例二中的裝置10b和實施例一中的裝置10a不同之處在于第一摩擦發(fā)電單元1和第二摩擦發(fā)電單元2的結(jié)構(gòu)。具體地講，在實施例二中，第一摩擦發(fā)電單元1不僅包括相互接合的第一電極11和第一高分子聚合物層12，而且還包括與第一電極11的遠離第一高分子聚合物層12的表面相連的第一絕緣基板13；而第二摩擦發(fā)電單元2不僅包括相互接合的第二電極21和第二高分子聚合物層22，而且還包括與第二電極21 的遠離第二高分子聚合物層22的表面相連的第二絕緣基板23。同樣地，第一高分子聚合物層12和第二高分子聚合物層22相對且接觸的表面構(gòu)成摩擦界面，第一摩擦發(fā)電單元1相對于第二摩擦發(fā)電單元2滑動時，摩擦界面中兩個表面因摩擦而產(chǎn)生上述電信號。通過第一絕緣基板13和第二絕緣基板 23可以有效防止第一摩擦發(fā)電單元1和第二摩擦發(fā)電單元2之間出現(xiàn)短接現(xiàn)象，放寬對殼體3、第一牽引部件4和第二牽引部件5、第一彈性復位件 6等部件的材料要求，既可以選擇導電材料也可選擇絕緣材料。

同樣地，為了增強發(fā)電效率并提高該裝置10b的靈敏度，該摩擦界面中的一個表面具有摩擦凸起12c，而摩擦界面中的另一個表面具有能夠容納的摩擦凹槽22c，其中該摩擦凹槽22c設置成能夠允許摩擦凸起12c沿著預設方向S1運動并與摩擦凸起12c始終接觸。當?shù)谝荒Σ涟l(fā)電單元1相對于第二摩擦發(fā)電單元2沿著預設方向S1滑動時，摩擦凸起12c被迫在摩擦凹槽 22c內(nèi)將沿著預設方向S1接觸式滑動，摩擦凸起12c和摩擦凹槽22c產(chǎn)生一部分電信號，摩擦界面中除摩擦凸起12c和摩擦凹槽22c之余的部分產(chǎn)生另一部分電信號。與平面的摩擦界面相比，摩擦凸起12c和摩擦凹槽22c能夠增加摩擦界面中兩個表面的接觸面積，有利于提高第一摩擦發(fā)電單元1和第二摩擦發(fā)電單元2的電信號的輸出。

在本實施例中，第一高分子聚合物層12和第一電極11均為與預設方向相平行的平板結(jié)構(gòu)，第一絕緣基板13具有與第一電極11平行相接的第一絕緣式平板部13a，以及連接第一絕緣式平板部13a和第一牽引部件4的第一銜接式平板部13b，其中第一絕緣式平板部13a和第一銜接式平板部13b垂直，第一彈性復位件6的一端與第一銜接式平板部13b接觸或相連，而其另一端與殼體3的內(nèi)壁相接觸。其中，第一銜接式平板部13b有利于第一彈性復位件6和第一牽引部件4簡單可靠地布置在殼體3內(nèi)，以保證第一彈性復位件6和第一牽引部件4能夠順利執(zhí)行各自的功能。

在本實施例中，第二高分子聚合物層22和第二電極21均為與預設方向 S1相平行的平板結(jié)構(gòu)，第二絕緣基板23具有與第二電極21平行相接的第二絕緣式平板部23a，以及連接第二絕緣式平板部23a和第二牽引部件5的第二銜接式平板部23b，第二銜接式平板部23b和第二絕緣式平板部23a垂直，其中第二彈性復位件7的一端與第二銜接式平板部23b接觸或相連，而其另一端與殼體的內(nèi)壁相接觸。其中，第二銜接式平板部23b有利于第二彈性復位件7和第二牽引部件5簡單可靠地布置在殼體3內(nèi)，以保證第二彈性復位件7和第二牽引部件5能夠順利執(zhí)行各自的功能。

實施例三

如圖3a和3b所示，該摩擦發(fā)電式位移檢測裝置10c包括殼體3。殼體 3包括具有開口端和封閉端的桶體31，以及扣合在桶體31的開口端上的且能夠相對桶體31在預定范圍內(nèi)軸向移動的蓋體32。在本實施例中，將與殼體3的軸線相平行的方向設定為預設方向S2。其中，桶體31和蓋體32的橫截面可以方形、圓形或多邊行，不過為了方便制造起見，優(yōu)選是圓形。

為了讓蓋體32能夠相對于桶體31在預定范圍內(nèi)移動，在桶體31的開口端上設有朝向蓋體32的內(nèi)周壁延伸的第一防脫凸緣31a，在蓋體32的開口端上設有朝向桶體31外周邊延伸的第二防脫凸緣32a，當蓋體32扣合到桶體31后，第二防脫凸緣32a比第一防脫凸緣31a更靠近桶體31的封閉端，且第一防脫凸緣31a與第二防脫凸緣32a之間的最大間距等于預定范圍。通過第一防脫凸緣31a和第二防脫凸緣32a的配合，一方面可引導蓋體32相對于桶體31順利進行軸向移動，另一方面可限制蓋體32只能相對桶體31 在預定范圍內(nèi)軸向移動，并防止蓋體32意外地脫離桶體31。然而容易理解的是，除上述限位方式之外，其他常規(guī)限位方式也可以，如可通過凸起和滑槽的組合結(jié)構(gòu)來執(zhí)行上述限位功能。

該摩擦發(fā)電式位移檢測裝置10c還包括設于桶體31內(nèi)的第一摩擦發(fā)電單元1、設于桶體31內(nèi)且與第一摩擦發(fā)電單元1相接觸的第二摩擦發(fā)電單元2、與蓋體32相連的第一牽引部件4及與桶體31的封閉端相連的第二牽引部件5，以及沿著預設方向S2設置在桶體31的封閉端與第一摩擦發(fā)電單元1之間的第一彈性復位件6。其中，第一彈性復位件6的一端與第一摩擦發(fā)電單元1的端部相連，而其另一端與桶體31的封閉端內(nèi)壁相連。其中，第一彈性復位件6和下文所述的第二彈性復位件7皆可以是拉簧、橡膠和硅膠等具有高彈性性能的部件。

為了防第一摩擦發(fā)電單元1和第二摩擦發(fā)電單元2之間出現(xiàn)短接現(xiàn)象，在一個實施方式中，殼體3的材料是絕緣材料，第一摩擦發(fā)電單元1可與蓋體32相連，而第二摩擦發(fā)電單元2可與桶體31的內(nèi)周壁相連；在另一個實施例方式中，殼體3的材料是導電材料，第一摩擦發(fā)電單元1可通過絕緣墊 92與蓋體32相連，而第二摩擦發(fā)電單元2可通過絕緣套91與桶體31的內(nèi)周壁相連。上述兩種實施方式均可防止第一摩擦發(fā)電單元1和第二摩擦發(fā)電單元2之間出現(xiàn)短接現(xiàn)象。

根據(jù)本實用新型，當被測對象相對于參照對象沿著預設方向S2運動時，第一牽引部件4將沿著預設方向S2牽引蓋體32，而第二牽引部件5將沿著預設方向S2的反向牽引桶體31，蓋體32不得不相對于桶體31進行沿著預設方向S2運動，使得與蓋體32直接或間接相連的第一摩擦發(fā)電單元1被迫相對于與桶體31直接或間接相連的第二摩擦發(fā)電單元2預設方向S2滑動，以使第一摩擦發(fā)電單元1和第二摩擦發(fā)電單元2在相對滑動過程中產(chǎn)生適合作為位移測定參數(shù)和電能的電信號。其中，當蓋體32和第一摩擦發(fā)電單元 1相對于桶體31和第二摩擦發(fā)電單元2沿著預設方向S2運動時，第一彈性復位件6在桶體31和第一摩擦發(fā)電單元1的作用下被拉伸。也就是說，當?shù)谝荒Σ涟l(fā)電單元1相對于第二摩擦發(fā)電單元2沿著設定方向S2滑動結(jié)束后，且被測對象和參照對象中至少一個已不對第一牽引部件4或第二牽引部件5施加作用力時，拉伸狀態(tài)下的第一彈性復位件6可通過自身彈力將桶體 31和蓋體32以及第一和第二摩擦發(fā)電單元1，2同時拉回到原始位置，以保證該裝置10c能夠順利進行下一次的檢測。

根據(jù)本實用新型，當被測對象與參考對象發(fā)生相對移動時，摩擦發(fā)電式位移檢測裝置10c可通過第一摩擦發(fā)電單元1和第二摩擦發(fā)電單元2產(chǎn)生適合作為位移測定參數(shù)和電能的電信號，與現(xiàn)有技術(shù)基于機械、磁感應和光學原理的位移傳感器相比，具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、無需電源、抗干擾能力強，適用范圍廣的諸多優(yōu)點。并且，該摩擦發(fā)電式位移檢測裝置 10c還可用于收集低頻和高頻的機械振動能，發(fā)電效率高。

第一摩擦發(fā)電單元1和第二摩擦發(fā)電單元2的組合屬于一種摩擦發(fā)電機，其可以選為三層結(jié)構(gòu)的摩擦發(fā)電機，也可選為四層結(jié)構(gòu)的摩擦發(fā)電機，或者是更多層的摩擦發(fā)電機。在圖3a和3b所示優(yōu)選的實施例中，第一摩擦發(fā)電單元1可包括相互接合的第一電極11和第一高分子聚合物層12，而第二摩擦發(fā)電單元2可包括相互接合的第二電極21和第二高分子聚合物層22，其中第一高分子聚合物層12和第二高分子聚合物層22相對且接觸的表面構(gòu)成摩擦界面，第一摩擦發(fā)電單元1相對于第二摩擦發(fā)電單元2滑動時，摩擦界面中兩個表面因摩擦而產(chǎn)生上述電信號。

優(yōu)選地，第一電極11是同軸地設于桶體31內(nèi)的筒結(jié)構(gòu)狀或柱狀結(jié)構(gòu)，第一高分子聚合物層12、第二高分子聚合物層22和第二電極21是由內(nèi)向外依次套設在第一電極21外的三層筒狀結(jié)構(gòu)，其中第一電極11通過絕緣墊 92與蓋體32的內(nèi)壁相連，第二電極21通過絕緣套91與桶體31的內(nèi)壁相連。通過這種方式，第一高分子聚合物層12和第二高分子聚合物層22相對且接觸的表面構(gòu)成的摩擦界面將是一個曲面，與平面形式的摩擦界面相比，該曲面形式的摩擦界面能夠提高第一摩擦發(fā)電單元1和第二摩擦發(fā)電單元2 之間電信號的輸出。

為了增強發(fā)電效率并提高該裝置10c的靈敏度，該摩擦界面中的一個表面具有摩擦凸起12c，而摩擦界面中的另一個表面具有能夠容納摩擦凸起12c 的摩擦凹槽22c，其中該摩擦凹槽22c設置成能夠允許摩擦凸起12c沿著預設方向S2運動并與摩擦凸起12c始終接觸。當?shù)谝荒Σ涟l(fā)電單元1相對于第二摩擦發(fā)電單元2沿著預設方向S2滑動時，摩擦凸起12c被迫在摩擦凹槽22c內(nèi)沿著預設方向S2接觸式滑動，摩擦凸起12c和摩擦凹槽22c產(chǎn)生一部分電信號，摩擦界面中除摩擦凸起12c和摩擦凹槽22c之余的部分產(chǎn)生另一部分電信號。與圓柱面形式的摩擦界面相比，摩擦凸起12c和摩擦凹槽 22c能夠增加摩擦界面中兩個表面的接觸面積，有利于提高第一摩擦發(fā)電單元1和第二摩擦發(fā)電單元2之間電信號的輸出。優(yōu)選地，摩擦凸起12c和摩擦凹槽22c的配合為花鍵形式的配合，即摩擦凸起12c和摩擦凹槽22c為與殼體軸向平行的長條狀溝槽，以使該裝置的摩擦界面具有較大的滑動行程，以進一步地提高第一摩擦發(fā)電單元1和第二摩擦發(fā)電單元2之間電信號的輸出。

為了輔助第一彈性復位件6執(zhí)行復位功能，該裝置10c還包括第二彈性復位件7。第二彈性復位件7沿著預設方向S2布置，第二彈性復位件7的一端與桶體31的開口端相連，而其另一端與蓋體32的底部內(nèi)壁相連。當蓋體32相對于桶體31滑動時，第二彈性復位件7可被桶體31和蓋體32拉伸。也就是說，當蓋體32和第一摩擦發(fā)電單元1相對于桶體31和第二摩擦發(fā)電單元2沿著設定方向S2滑動結(jié)束后，且被測對象和參照對象中至少一個已不對第一牽引部件4或第二牽引部件5施加作用力時，拉伸狀態(tài)下的第二彈性復位件7可輔助拉伸狀態(tài)的第一彈性復位件6，即通過自身彈力將桶體31 和蓋體32以及第一和第二摩擦發(fā)電單元1，2同時拉回到原始位置，以保證該裝置10c能夠順利進行下一次的檢測。

本實用新型所述的裝置用于位移檢測時，將兩個牽引部件分別與被測對象和參照對象連接，當被測對象與參照對象發(fā)生相對移動時，第一高分子聚合物層與第二高分子聚合物層發(fā)生相對滑動，二者相互摩擦產(chǎn)生自由電子的定向移動，自由電子進一步在第一電極和第二電極表面產(chǎn)生感應電荷；并且，第一電極和第二電極的相對滑動使二者之間的正對面積發(fā)生改變。第一電極和第二電極之間的電容隨著感應電荷與正對面積的變化而變化，當?shù)谝浑姌O與第二電極與外部電路接通時輸出電信號。該裝置對檢測距離較遠的對象是否發(fā)生相對移動同樣適用，只需對牽引部件進行適當延長即可，應用范圍廣。此外，該裝置還可通過第一摩擦發(fā)電單元和第二摩擦發(fā)電單元的往復運動收集機械振動能量，并且同時適用于低頻和高頻振動的能量收集，發(fā)電效率高。

實施例四

本實用新型的實施例四提供了一種能量收集系統(tǒng)，該能量收集系統(tǒng)包括上述任一個實施例中的摩擦發(fā)電式位移檢測裝置以及儲能裝置。其中，所述第一電極和第二電極構(gòu)成信號輸出端；所述儲能裝置對所述電信號進行儲存。即摩擦發(fā)電式位移檢測裝置在機械振動的作用下，第一摩擦發(fā)電單元與第二摩擦發(fā)電單元相互接觸摩擦產(chǎn)生的電信號經(jīng)第一電極和第二電極輸出后以電能的形式儲存在儲能裝置內(nèi)。本實用新型的實施例四的能量收集系統(tǒng)能夠通過上述任一個實施例中的摩擦發(fā)電式位移檢測裝置來收集機械振動能量，并且同時適用于低頻和高頻振動的能量收集，發(fā)電效率高。其中，儲能裝置優(yōu)選鋰電池、鎳氫電池或石墨烯超級電容等。

優(yōu)選地，該能量收集系統(tǒng)還包括整流裝置，所述整流裝置分別與所述摩擦發(fā)電式位移檢測裝置和所述儲能裝置相連，用于對所述電信號進行整流處理后儲存。對上述電信號的整流處理有利于儲能裝置更高效地儲存電能。

在本申請的描述中，需要理解的是，術(shù)語“縱向”、“橫向”、“豎向”、“上”、“下”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”、等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。

在本申請中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“相接”、“相接合”、“相連”、“連接”等術(shù)語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通或兩個元件的相互作用關系。對于本領域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本實用新型中的具體含義。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術(shù)人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本實用新型各實施例技術(shù)方案的范圍，其均應涵蓋在本實用新型的權(quán)利要求和說明書的范圍當中。