一种无线摩擦纳米发电装置、方法及传感器

技术领域

本发明涉及摩擦式纳米发电机领域，具体涉及一种无线摩擦纳米发电装置、方法及传感器。

背景技术

能源对人类文明推进和全球经济高速发展都具有功不可没的推动作用，传统能源所带来的能源危机和环境危机是全球亟待解决的难题。摩擦纳米发电机(TENG)是利用摩擦起电效应和静电感应效应耦合将风能、机械能、振动能等转换为电能的器件，具有无污染、结构简单、成本低等优点，TENG的设计和应用将对能源危机问题具有战略意义。随着物联网、可穿戴电子器件行业的飞速发展，微纳能源与传感的需求日益凸显，基于摩擦纳米发电机的自驱动式传感器系统为我们提供了有效的解决方案，既可以将环境中容易被忽视的能源直接转换为电能，还能对外界的条件变化做出快速响应，实现了能量产生和传感应用的一体化。

但现有技术中的摩擦纳米发电机通常为一体化装置，在利用摩擦纳米发电机对管道内流体进行测量时，往往由于该一体化装置需要放置于管道中，而需要对管壁进行破坏，将导线等接出。因此亟需一种无线摩擦纳米发电机，以便于对管道实现无损和无破坏性的高效监控。

发明内容

(一)要解决的技术问题

亟需一种无线摩擦纳米发电机，以便于、实现无破坏性监控和传感。

(二)技术方案

为了解决上述问题，本发明一个方面提供了一种无线摩擦纳米发电装置，所述发电装置包括：发电机主体、接收装置；所述发电机主体包括两端通过固定组件依次间隔第一预设距离固定的第一摩擦组件、弹性摩擦组件和第二摩擦组件；其中，所述弹性摩擦组件在外界机械能驱动下发生形变并做往复运动与所述第一摩擦组件和所述第二摩擦组件接触或分离产生电流；

所述接收装置包括分别间隔第二预设距离放置于所述发电机主体两侧的两个接收板，所述接收板用于感应所述发电机主体产生的电流并将其输出。

可选地，所述第一摩擦组件和所述第二摩擦组件均包括第一支撑板和摩擦层；所述摩擦层面向所述弹性摩擦组件；所述摩擦层的材料为聚四氟乙烯、醋酸纤维素、聚氯乙烯、尼龙、Kapton或聚乙烯，所述第一支撑板为亚克力板、金属板、塑料板、或木板，所述弹性摩擦组件的材料为氟化乙烯丙烯共聚物、尼龙、聚乙烯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚偏二氯乙烯、氯乙烯-醋酸乙烯共聚物，所述弹性摩擦组件的厚度为5～100μm。

可选地，所述接收板包括第二支撑板、导电层和用于输出电流的导线，所述导电层面向所述发电机主体，与所述第一摩擦组件和第二摩擦组件的位置相对应，所述导电层为附着在所述第二支撑板上的石墨烯、碳纳米管、银纳米线、银纳米颗粒、或金属纳米粉末。

可选地，所述第一预设距离为0.5～4mm，所述第二预设距离≤ 10cm。

本发明另一个方面提供了一种将上文所述的发电装置用于测量管道流体参数的方法，将发电机主体设置于管道内部，将接收装置放置于管道外壁上与所述发电机主体位置相对应处，通过所述接收装置输出电压获取管道流体参数。

本发明再一个方面提供了一种将上文所述的发电装置用于测量流体流动方向的方法，流体流动方向与所述发电装置之间的夹角的变化与发电装置输出电压满足预设关系，根据所述预设关系利用所述发电装置测量流体流动方向；所述预设关系为在流体流速不变时，流体流动方向与所述发电装置之间的夹角从0°增加至360°的过程中，发电装置输出电压呈周期性变化。

本发明又一个方面提供了一种将上文所述的发电装置用于测量管道堵塞物位置的方法，所述方法包括：将至少两个发电机主体设置于管道内部的不同位置，将至少两个接收装置设置于管道外壁上与所述发电机主体位置相对应处，通过所述接收装置获取至少两个输出电流，根据所述至少两个输出电压获取管道堵塞物位置和堵塞物放置的方向。

本发明再一个方面提供了一种包括上文所述的发电装置的可视化距离、角度传感器，所述传感器还包括显示装置；将所述接收装置中的两个接收板分别连接于所述显示装置上，所述显示装置用于显示出所述接收装置与发电机主体之间的距离，或显示出发电机主体与流体夹角的变化。

本发明另一个方面提供了一种无线摩擦纳米发电装置的制备方法，所述方法包括：在预设尺寸的第一支撑板上粘贴Nylon膜得到第一摩擦组件和第二摩擦组件，将两个氟化乙烯丙烯共聚物膜进行粘贴得到双面氟化乙烯丙烯共聚物弹性摩擦组件，通过固定组件依次将第一摩擦组件、弹性摩擦组件和第二摩擦组件进行固定，并使得Nylon 膜面向弹性摩擦组件，从而得到发电机主体；制备石墨烯的分散溶液，将所述溶液均匀滴加在相纸上，然后放置在80℃的烘箱中4h，取出相纸后，采用电动对辊机辊压所述相纸，使得在相纸表面形成密实的导电石墨烯层，利用双面胶将石墨烯层转移至第二支撑板上，并在该第二支撑板上设置用于输出电流的导线，得到接收装置。

本发明再一个方面提供了一种利用上文所述的发电装置对电容进行充电的方法，所述方法包括：将电容进行充电至预设电压所需的时间与接收装置与发电机主体之间的第二预设距离成正比。

本发明还有一个方面提供了一种测量管道堵塞物位置的装置，其包括至少两个上文所述的发电装置。

(三)有益效果

本发明至少具有以下有益效果：

1、可以通过摩擦纳米发电装置收集环境中的风能/振动能，并能将其有效地转化为电信号输出。发电机主体和电信号接收板的分离可以实现无线发电、充电、放电功能；可扩展摩擦纳米发电装置的使用范围，也可避免导电材料在风场环境下因长时间工作引起的掉落从而延长摩擦纳米发电装置的使用寿命。

2、当接收板到摩擦发电机主体的接收距离改变时，输出电信号大小与接收距离呈一定的规律和相关性，由此可以设计感知距离的自驱动传感器，避免了距离传感器在工作时借助外接能源驱动。

3、当无线摩擦纳米发电机与空气流动方向之间存在夹角时，(发电机主体固定时风场方向发生改变或发电机在风场中发生一定角度的倾斜时)，两个接收板之间的输出信号会因角度变化呈现一定的变化规律，从而可以对风场风向的改变或者发电机的角度偏转做出高灵敏度的、快速的响应。

4、在一个器件上解决了能量产生与传感两个关键问题，还可将实验条件下的距离、角度变化通过可视化的装置如电容器、LED灯泡、喇叭、机械马达等显示出来。实现了能量转换与传感应用的一体化设计，也可将发电机安置在生活中容易发生角度偏转和距离变化的物件中，距离和角度的改变将会通过接收板之间的输出电信号的变化反应出来。

5、将发电机主体安置在封闭的管道中，接收板安装在管道外，可监控管道的某一位置的气体流速，风道是否有破损、风道中是否存在堵塞物及定位堵塞物的位置和方向状态。

6、采用本发明中的发电装置用于测量管道流体参数的方法，将接收装置放置于管道外壁上，避免了现有技术中需要破坏管道壁，才能将导线接出，进行管道流体参数的测量，实现了“无线”和“无破坏性”监控管道，即无需在管道内部设置导线，无需将管道破损，也可实现管道中流体参数的测量与监控。

附图说明

图1是本发明第一个实施例提供的无线摩擦纳米发电装置的结构示意图；

图2是本发明一个实施例提供的无线摩擦纳米发电装置中发电机主体侧视的结构示意图；

图3A-图3H是本发明一个实施例提供的无线摩擦纳米发电装置的工作原理示意图；

图4A为本发明一个实施例提供的无线摩擦纳米发电装置在接收板与发电机主体之间距离为1.5cm输出电压信号图；

图4B为本发明一个实施例提供的无线摩擦纳米发电装置在接收板与发电机主体之间距离为1.5cm输出电流信号图；

图4C为本发明一个实施例提供的无线摩擦纳米发电装置在接收板与发电机主体之间距离为10cm输出电压信号图；

图4D为本发明一个实施例提供的无线摩擦纳米发电装置在接收板与发电机主体之间距离为10cm输出电流信号图；

图5A为本发明一个实施例提供的无线摩擦纳米发电装置在接收板与发电机主体之间距离从1.5cm增加至10cm过程中输出电压随接收-距离的变化图；

图5B为本发明一个实施例提供的无线摩擦纳米发电装置在接收板与发电机主体之间距离从1.5cm增加至10cm过程中输出电流随接收距离的变化图；

图6为本发明一个实施例提供的无线摩擦纳米发电装置在接收板与发电机主体之间距离依次为1.5cm、2.5cm、4cm、5.5cm、7cm、 8.5cm、10cm时，将两个接收板分别作为正负极输出对47uf的电容充电时，电容两端的电压随时间的变化图；

图7为本发明一个实施例提供的无线摩擦纳米发电装置在与空气流动方向之间的夹角时从0°变化到360°过程中输出电压变化图；

图8为本发明一个实施例提供的无线摩擦纳米发电装置与风向夹角从0°变为360°过程中，无线摩擦纳米发电装置的方向变化图；

图9为本发明一个实施例提供的包含无线摩擦纳米发电装置可视化距离、角度传感器结构示意图；

图10为本发明一个实施例提供的将无线摩擦纳米发电装置用于测量管道中流体流动方向、流速及管道监控的装置结构的轴向示意图；

图11为本发明一个实施例提供的将六个无线摩擦纳米发电装置用于测量管道中流体流速和监控管道中是否存在堵塞物及堵塞物位置与放置方向的装置结构的侧向示意图；

图12为本发明一个实施例提供的将六个摩擦纳米发电机主体分别放置在风道中六个位置，六组接收板固定在管道壁上与发电机主体的对应位置上，在管道中不同位置存在堵塞物时，不同位置的发电机两极板之间电压信号图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

本发明第一个实施例提供了一种无线摩擦纳米发电装置，参见图 1，所述发电装置包括：发电机主体1、接收装置2；所述发电机主体 1包括两端通过固定组件101依次间隔第一预设距离固定的第一摩擦组件102、弹性摩擦组件103和第二摩擦组件104；其中，所述弹性摩擦组件103在外界机械能驱动下发生形变并做往复运动，与所述第一摩擦组件102和所述第二摩擦组件104接触或分离产生电流；所述接收装置2包括分别间隔第二预设距离放置于所述发电机主体1两侧的两个接收板201，所述接收板201用于感应所述发电机主体1产生的交流电流并将其输出。

由此，本发明提供的无线摩擦纳米发电装置将摩擦纳米发电机的摩擦极板和电荷接收端分开放置，实现了远距离无线发电。在具体使用时，例如可以将该无线摩擦纳米发电装置的发电主体1放置在风场中，接收装置2放置于风场外，即将电信号接收端和输出端放置在风场外。吹风条件下，弹性摩擦组件103与第一摩擦组件102和第二摩擦组件104发生接触分离式的摩擦，由于弹性摩擦组件103和第一摩擦组件102中的摩擦材料100b(或第二摩擦组件104中的摩擦材料 100b)对电子的束缚能力有差别，在两者相互接触摩擦时，例如弹性摩擦组件103容易得电子而带负电，第一摩擦组件102(或第二摩擦组件104)中的摩擦材料100b容易失电子而带正电。当空气通过发电主体1时引起弹性摩擦组件103发生上下振动，当弹性摩擦组件 103运动接近接收装置2的一个接收板201时，该接收板201感应出更多的正电荷，另一个远离弹性摩擦组件103的接收板201则感应出负电荷，因而产生自一个接收板而另一个接收板的电流；反之，产生反向电流；弹性摩擦组件103在风力作用下在第一摩擦组件102和第二摩擦组件104之间做反复的往返运动，弹性摩擦组件103与接收装置2的两个接收板201之间的距离随着弹性摩擦组件103的反复往返运动也在发生周期变化，从而在两个接收板201之间就产生了周期性变化的输出电流信号。

具体地，所述第一摩擦组件102和所述第二摩擦组件104均包括第一支撑板100a和摩擦层100b；所述摩擦层100b面向所述弹性摩擦组件103。所述摩擦层100b的材料为聚四氟乙烯(PTFE)、醋酸纤维素、聚氯乙烯(PVC)、尼龙(Nylon)、Kapton、或聚乙烯。该选择是基于选择表面摩擦电荷密度较高的材料，按照材料表面摩擦电荷密度序列进行的优选。所述第一支撑板100a为亚克力板、金属板、塑料板、或木板，该选择是基于机械强度好的材料进行的优选。所述弹性摩擦组件103的材料为氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、尼龙(Nylon)、聚乙烯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚偏二氯乙烯、氯乙烯-醋酸乙烯共聚物，该选择为基于机械性能良好，可在外力作用下发生弹性形变的有机高分子薄膜材料中的优选材料。

所述接收板201包括第二支撑板201a、导电层201b、和用于输出电流的导线，所述导电层201b面向所述发电机主体1，与所述第一弹性组件(102)和第二摩擦组件(104)的位置相对应，所述导电层201b为附着在所述第二支撑板201a上的石墨烯、碳纳米管、银纳米线、银纳米颗粒、或金属纳米粉末。导电层201b附着在第二支撑板201a上的方法包括但不仅限于真空抽滤、磁控溅射、旋涂、丝网印刷、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、物理气相沉积(PVD) 等。该导电层材料的上述选择是优选导电性能优异、易附着在衬底上、不易脱落的纳米材料，对比传统金属导电层具有轻薄、导电性能更好的优势。

参见图1和图2，固定组件101包括穿过第一摩擦组件102、弹性摩擦组件103、第二摩擦组件104的螺钉101a、设置于第一摩擦组件102、弹性摩擦组件103、第二摩擦组件104之间的间隔物101b、以及同定螺钉的螺母101c。该间隔物101b用于将第一摩擦组件102、弹性摩擦组件103、第二摩擦组件104之间的距离控制为第一预设距离，该第一预设距离为0.5～4mm，优选为1.5mm-2.5mm之间。并且该间隔物101b优选为亚克力垫片。

该第一预设距离(即间隔物101b的厚度)直接影响无线摩擦纳米发电装置的输出信号。具体地，本发明的一个实施例将不同厚度 (0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、4mm)的间隔物101b (亚克力垫片)安置在第一摩擦组件102、弹性摩擦组件103、第二摩擦组件104之间，测量不同间隔距离下的输出电压，得到的结果为：当间隔距离太小时(＜1.5mm)由于摩擦组件之间不能很好的发生接触分离而导致输出信号很小；当间隔距离太大时(＞3mm)由于摩擦组件之间接触摩擦面积很小导致输出信号变小，因此最佳的间隔距离是1.5mm-2.5mm之间。

另外所述弹性摩擦组件103的厚度为5～100μm。具体地，本发明的一个实施例将不同厚度(5μm、10μm、50μm、100μm)的氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)振动膜(即弹性摩擦组件103)安置在上下第一摩擦组件102和第二摩擦组件104的两个摩擦层100b之间，测量不同振动膜厚度组装的发电机的的输出电压，得到的结果为：当振动膜厚度越小时，发电机输出的电信号频率越大，信号的峰值也越大，因为随着振动膜变薄，振动膜与摩擦材料的接触分离将越充分，但是太薄的振动膜在风致振动过程中更容易磨损和断裂，所以所述弹性摩擦组件103厚度优选为20μm。

另外，所述第二预设距离≤10cm。大于该第二预设距离会使得间隔距离太大，无线发电机两接收板之间输出交流信号变小。

具体地，参见图4A-4D，基于无线摩擦纳米发电装置在接收板与发电机主体之间距离为1.5cm和10cm时输出电压和电流信号。当接收板与发电机主体距离为1.5cm时的输出电压和电流分别为121V和 4.4μA；距离为10cm时的输出电压和电流分别为8V和0.7μA；产生此信号的器件尺寸为：发电机支撑板尺寸为25×120×2.5mm，FEP 振动膜尺寸为25×120×0.02mm，Nylon膜尺寸为25×120×0.05mm，接收板上的石墨烯片层尺寸25×120×0.08mm，两端垫片尺寸为10 ×10×1.5mm。参见图5A和5B本发明中基于无线摩擦纳米发电装置在接收板与发电机主体之间距离从1.5cm变化到10cm过程中输出电压、电流变化图及电压、电流随接收距离的变化率图。当接收板远离发电机主体时，两接收板之间的电压从121V逐渐减小至8V，电压改变率高达92％；电流从4.4μA减小至0.6μA，电流的改变率为 86％，说明本发明的无线摩擦纳米发电装置对于距离变化有较高的灵敏响应。其中，为了使两个接收板输出的输出呈正负峰值对称式的交流信号，在实施例中始终保持两个接收板到发电机主体的距离相同，即分别同时改变两个石墨烯接收板到发电机主体的距离。

本发明第二个实施例中提供的无线摩擦纳米发电装置，第一摩擦组件102和第二摩擦组件104中第一支撑板100a为亚克力板，摩擦层100b为Nylon，弹性摩擦组件103为双面贴合的氟化乙烯丙烯共聚物(Fluorinated ethylene propylene，FEP)，第二支撑板201a为亚克力板，导电层202b为附着在所述第二支撑板201a上的石墨烯。其中，支撑板100a厚度为2.5mm，摩擦层100b厚度为0.05mm，弹性摩擦组件103为双面FEP膜，厚度为0.02mm，该双面FEP膜是指将两个单面FEP膜进行粘贴到一起，形成厚度为0.02mm的双面FEP 膜。固定组件101中间隔物101b为厚度为1.5mm的亚克力垫片，接收板201包括第二支撑板201a为亚克力板，其厚度为2.5mm、导电层202b为石墨烯，厚度为80μm。

由此，参见图3A-3H，吹风条件下，FEP膜与Nylon发生接触分离式的摩擦，由于Nylon和FEP对电子的束缚能力有差别，在两者相互摩擦时，FEP容易得电子而带负电，Nylon容易失电子而带正电，两个Nylon膜上正电荷数量之和与FEP振动膜上负电荷的数目相等。当空气通过发电机时引起FEP膜发生上下振动，当FEP膜向下运动接近下面的石墨烯接收板时，下面的石墨烯接收板感应出更多的正电荷，上面的石墨烯膜感应出负电荷，因而产生自上而下的电流；当 FEP膜向上运动远离下面石墨烯接收板时，上极石墨烯膜板感应出更多的正电荷，下面石墨烯膜板感应出更多的负电荷，因而产生自下而上的电流；FEP振动膜在风力作用下在上下两个Nylon膜之间分别做反复上下往返运动(图3A-3H)，FEP与石墨烯接收板之间的距离随着FEP在发电机上下两个支撑物之间运动也在发生周期变化，从而在上下两个石墨烯接收板之间就产生了周期性变化的输出信号。

本发明第三个实施例提供了一种上文所述的发电装置用于测量管道流体参数的方法，参见图10，将发电机主体1设置于管道内部，将接收装置2放置于管道外壁上与所述发电机主体1位置相对应处，通过所述接收装置2输出电流(电压)获取管道流体参数。

其中，管道流体参数包括流体流速、流体流量等。采用本实施例的方法，将接收装置2放置于管道外壁上，避免了现有技术中需要破坏管道外壁，才能将导线接出，进行管道流体参数的测量，实现了“无线”，即无需在管道内部设置导线，也可实现管道流体参数的测量。并且在管道的角度发生倾斜时，也能利用本实施例提供的方法灵活安装本发明所述的发电装置。

本发明第四个实施例提供了一种将上文所述的发电装置用于测量流体流动方向的方法，流体流动方向与所述发电装置之间的夹角的变化与发电装置输出电压满足预设关系，根据所述预设关系利用所述发电装置测量流体流动方向；所述预设关系为在流体流速不变时，流体流动方向与所述发电装置之间的夹角从0°增加至360°的过程中，发电装置输出电压呈周期性变化。

具体地，参见图7，其以流体为空气为例，说明了上文所述的发电装置与空气流动方向之间的夹角时从0°变化到360°过程中(此时接收板与发电机距离为1.5cm)输出电压变化，即说明了所述预设关系。该图像是极坐标系图，圆心角大小对应发电机与空气流动方向的夹角，数据点到圆心的距离(即半径大小)代表对应角度下的电压值。由图可知，随着发电装置的旋转其输出电压呈现周期性变化(发电装置的旋转即说明了流体流动方向与所述发电装置之间的夹角的变化)，流体流动方向与所述发电装置之间的夹角的变化可以参见图8。当发电装置与风向夹角为0°时，输出电压为120V(图7中圆心角为0°对应的数据点)，当夹角从0°逐渐增加至90°过程中，由于流经发电装置进风口的空气流量减少，导致FEP振动膜与Nylon 之间的摩擦振幅、接触分离次数都减弱，从而接收板之间的输出电信号的频率和峰值将同时降低；当夹角增加至90°时，几乎没有气体流经发电装置引起FEP膜的振动，从而接收板的输出信号最小，从图7中圆心角为90°的数据点可知当夹角为90°时，发电机输出电压为18.42V；当夹角从90°增加至180°过程中，由于流经发电装置进风口的空气流量增加，FEP振动膜与Nylon之间的摩擦振幅、接触分离次数都增加，从而接收板输出电信号的频率和峰值将同时增加，当夹角增加至180°时，流经发电装置进风口的气体流量达到最大，所引起FEP振动膜与Nylon膜的接触-分离最显著，从而两接收板之间的输出信号达到最大，从图7中圆心角为180°的数据点可知，当夹角为180°时，发电装置的输出电压为121.3V；同理，当夹角从 180°增加至360°过程中，接收板电压也将先减小后增加。总体而言，在发电机与流体之间的夹角从0°变化到360°的一周过程中，输出电压呈现周期性变化。也就是说，当夹角变化引起流经发电装置的气体流量增大时，发电装置输出电压增大，反之，流经发电装置的气体流量减小时，发电装置输出电压减小。

由此，可以基于此将发电装置设计为对角度高灵敏度传感器的自驱动角度传感器，除此之外，实施例中的发电机可以收集来自不同方向的气流，扩大了发电装置的实际应用范围。

本发明第五个实施例提供了一种将上文所述的发电装置用于测量管道堵塞物位置的方法，所述方法包括：将至少两个发电机主体1 设置于管道内部的不同位置，将至少两个接收装置2设置于管道外壁上与所述发电机主体1位置相对应处，通过所述接收装置2获取至少两个输出电压，根据所述至少两个输出电压获取管道堵塞物位置及堵塞物放置状态。

参见图11，其示出了当采用6个发电机主体1设置于管道内部的不同位置时，将6个接收装置2设置于管道外壁上与所述发电机主体1位置相对应处，该图为侧透视图，即流体在管道内的流动方向为图所示的方向中从左至右或从右至左的方向，将发电机主体1固定时采用将发电机主体1上下两端进行固定的方式。

参见图12，在管道中不同位置存在堵塞物时，不同位置的发电机两接收板板之间电压信号图。从上至下七排数据分别代表管道中没有堵塞物、堵塞物在第一、二个发电机之间、堵塞物在第二、三个发电机之间、堵塞物在第三、四个发电机之间、堵塞物在第四、五个发电机之间、堵塞物在第五、六个发电机之间；从左到右六列数据分别代表管道中不同位置的1、2、3、4、5、6号摩擦纳米发电机(TENG)。由此，通过对比七排数据则可以得到堵塞物的位置。

本发明第六个实施例一种包含上文所述的发电装置的可视化距离、角度传感器，所述传感器还包括显示装置；将所述接收装置2中的两个接收板201分别连接于所述显示装置上，所述显示装置用于显示出所述接收装置2与发电机主体1之间的距离，或显示出发电机主体1与流体夹角的变化。

其中，显示装置包括扩音喇叭、LED灯泡、显示屏、线性马达等。在接收板靠近发电机过程中，输出电压增大，相应的可视化装置的功率慢慢接近发电装置的最大输出功率，相反，接收板远离发电机主体过程中，发电机的输出功率减小，外接装置的功率随之减小，方便直观感受到一体化耦合器件功率的变化，进而得知接收板与发电机之间距离改变的情况。夹角变化导致的接收板间输出信号的变化同样会改变基于无线摩擦纳米发电装置的传感器的输出功率，同样会改变与发电装置接收板串联的器件的功率，实现可视化、自驱动传感。

参见图9，该发电装置的两个接收板分别连接在灯泡的正负接线柱上，该可视化器件在吹风环境内，将风能转化成为电能，当接收板 2与发电机主体1距离变大时，发电装置的输出电压和电流信号减小， LED灯的亮度减弱，相反，当接收板2与发电机主体1距离变小时， LED灯的亮度增强；当风口风向改变(或发电机发生倾斜)而引起的发电装置与风口夹角发生变化时，由于流经发电机主体的气体流量变化所引起的发电装置输出功率呈现一定的周期变化规律，灯泡的亮度也将随之改变。该耦合器件实现了自驱动可视化传感，具有广泛的应用环境。

本发明第七个实施例提供了一种无线摩擦纳米发电装置的制备方法，所述方法包括：在预设尺寸的第一支撑板100a上粘贴Nylon 膜得到第一摩擦组件102和第二摩擦组件104，将两个氟化乙烯丙烯共聚物膜进行粘贴得到弹性摩擦组件103，通过固定组件101依次将第一摩擦组件102、弹性摩擦组件103和第二摩擦组件104进行固定，并使得Nylon膜面向弹性摩擦组件103，从而得到发电机主体1；制备石墨烯的分散溶液，将所述溶液均匀滴加在相纸上，然后放置在 80℃的烘箱中干燥4h，取出相纸后，采用电动对辊机辊压所述相纸，使得在相纸表面形成密实的导电石墨烯层，利用双面胶将石墨烯层转移至第二支撑板201a上，并在该第二支撑板201a上设置用于输出电流的导线，得到接收装置2。

本发明第八个实施例提供了一种利用上文所述的发电装置对电容进行充电的方法，其特征在于，所述方法包括：将电容进行充电至预设电压所需的时间与接收装置2与发电机主体1之间的第二预设距离成正比。

参见图6，基于无线摩擦纳米发电装置在接收板与发电机主体之间距离从1.5cm变化到10cm过程对47uf的电容充电时，电容两端的电压随时间的变化图。当接收板与发电机主体距离为1.5cm时，电容被充电至3V需要135s，当接收板越来越远离发电机主体时，由于距离增大所导致的接收板上感应电荷数量减少，导致电容充电速度减慢，当接收板到发电机主体距离为10cm时，电容被充电至3V需要37min。即接收板越靠近发电机主体时电容充电到3V所用的时间越短，同时还可以通过监控电容两端电压实现对接收板距离变化的感知。

下面，再通过3个更为具体的实施例对本发明提供的装置及方法进行进一步说明：

实施例1：

切割亚克力支撑板(即第一支撑板)尺寸为25×120×2.5mm，两端垫片(即间隔物101b)尺寸为10×10×1.5mm，FEP振动膜尺寸为25×120×0.02mm，Nylon膜尺寸为25×120×0.05mm，接收板上的石墨烯片层尺寸25×120×0.08mm，将垫片紧密放置于支撑物粘贴Nylon膜表面两端，将FEP振动膜放置在上下支撑物粘贴 Nylon膜表面之间，最后用塑料螺丝将两端固定。最后将两片附着石墨烯层的亚克力接收板放置在发电机主体附近，接收板充当发电机的输出正负极。

当无线摩擦发电机放置于风速为15m/s的环境中时，当接收板与发电机主体距离为1.5cm时的输出电压和电流分别为121V和4.4 μA；距离为10cm时的输出电压和电流分别为8V和0.7μA；当接收板远离发电机主体时，两接收板之间的电压从121V逐渐减小至8V，电压改变率高达92％；电流从4.4μA减小至0.6μA，电流的改变率为86％，说明本发明的无线摩擦纳米发电机对于距离变化有较高的灵敏响应。在接收板与发电机主体之间距离从1.5cm变化到10cm过程，将接收板的输出信号经整流器整流后对47uf的电容充电。当接收板与发电机距离为1.5cm时，电容被充电至3V需要135s，当接收板越来越远离发电机时，由于接收板上感应电荷数量减少将导致电容充电速度减慢，当接收板到发电机距离为10cm时，电容被充电至3V需要37min，接收板的距离变化可以由电容充电过程中电压变化的快慢感应得知。

实施例2：

在实施例1的发电装置基础上，将发电机的两个石墨烯接收板分别作为正负极来驱动外置的灯泡，在风速恒定条件下，当接收板靠近发电机过程中，两个接收板之间的输出电压增大，相应的可视化装置的功率慢慢接近最大输出功率，相反，接收板远离发电机主体过程中，发电机的输出功率减小，外接装置的功率随之减小，方便直观感受到一体化耦合器件功率的变化，进而得知接收板与发电机之间距离改变的情况。在实施例1的基础上将接收板到发电机主体的距离固定为 1.5cm，将发电机主体和接收板固定在水平底座上作为角度传感装置，外界风场的方向固定不变，将此角度传感装置在水平面内做0°-360°旋转，装置与风向的夹角将随之变化，由于夹角变化导致的流经发电机进风口的气体流量周期性变化将导致接收板间输出信号的变化，同样会改变基于无线摩擦纳米发电机的传感器的输出功率，同样会改变与发电机接收板串联的器件的功率，实现可视化、自驱动传感。距离和夹角的改变可以通过灯泡的亮度变化直接显现出来。

实施例3：

切割尺寸为85×20×20cm的亚克力管道，尺寸为25×120×2.5 mm亚克力支撑板24片，尺寸为10×10×1.5mm垫片若干，尺寸为25×120×0.02mm的FEP振动膜6张，尺寸为25×120×0.05mm 的Nylon膜12片，用于安装在接收板上的尺寸为25×120×0.08mm 的石墨烯片层12张，按照组装方法组装6个发电机主体：将垫片紧密放置于支撑物粘贴Nylon膜表面两端，将FEP振动膜放置在上下支撑物粘贴Nylon膜表面之间，最后用塑料螺丝将两端固定。将6个发电机主体固定在直径为20cm的管道中并将12片附着石墨烯层的亚克力接收板分别放置在管道中6个发电机对应位置(注：因为石墨烯接收板作为无线发电机的电荷接收端，为了能直接接收风管中发电机的电荷，将接收板安置在管道中发电机对应位置的管道外壁上。)，接收板充当发电机的输出正负极。同时测量管道中的六个发电机堵塞物的不同状态下的电压信号(不同状态是指：在管道中没有堵塞物、堵塞物在第一、二个发电机之间、堵塞物在第二、三个发电机之间、堵塞物在第三、四个发电机之间、堵塞物在第四、五个发电机之间、堵塞物在第五、六个发电机之间、堵塞物在第六个发电机后这七种)；可以发现，堵塞物的位置将直接影响特定位置发电机的输出信号，反之，如果我们可以同时监控六个发电机信号的变化，便可以从发电机输出信号的变化推断出堵塞物是否存在于管道中，并且对比六个发电机信号的变化，便可以定位堵塞物的位置。

综上所述，本发明提供的装置和方法至少具有以下有益效果：

1、可以通过摩擦纳米发电装置收集环境中的风能/振动能，并能将其有效地转化为电信号输出。发电机主体和电信号接收板的分离可以实现无线发电、充电、放电功能；可扩展摩擦纳米发电装置的使用范围，也可避免导电材料在风场环境因长时间工作引起的掉落从而延长摩擦纳米发电装置的使用寿命。

2、当接收板到摩擦发电机主体的接收距离改变时，输出电信号大小与接收距离呈一定的规律和相关性，避免了距离传感器在工作时需要借助外界能源驱动。

3、当无线摩擦纳米发电机与空气流动方向之间存在夹角时，(风场方向发生改变或发电机在风场中发生一定角度的倾斜时)接收板之间输出信号会因角度变化呈现一定的变化规律，从而可以对风场风向的改变或者发电机发生角度的倾斜做出快速且高灵敏度的响应。

4、在一个器件上解决了能量产生与传感两个关键问题，还可将实验条件下的距离、角度变化通过可视化的装置如电容器、LED灯泡、喇叭、机械马达等显示出来。实现了能量转换与传感应用的一体化设计，也可将发电机安置在生活中容易发生角度偏转和距离变化的物件中，距离和角度的改变将会通过接收板之间的输出电信号的变化反应出来。

5、将发电机主体安置在封闭的管道中，接收板安装在管道外，可监控管道的某一位置的气体流速，风道是否有破损、风道中是否存在堵塞物及定位堵塞物的位置。

6、采用本发明中的发电装置用于测量管道流体参数的方法，将接收装置放置于管道外壁上，避免了现有技术中需要破坏管道外壁，才能将导线接出，进行管道流体参数的测量，实现了“无线”，即无需在管道内部设置导线，也可实现对管道中流体参数的测量和对管道进行无破坏性的高效监控

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。