準確表征納米發電機輸出電壓或電流值的測試方法
【專利摘要】本發明一種準確表征納米發電機輸出電壓或電流的測試方法，該方法通過施加或撤銷應力或應變之前，先使納米發電機與電壓（電流）測試儀相連的測試電路處于斷開狀態；施加或撤銷應力或應變狀態穩定之后，再將測試電路接通，可穩定、準確地測得脈沖輸出電壓（電流）。這種測試方法可完全排除傳統測試方法中應力或應變速率對測試結果造成的影響，且能使每次測量都能得到納米發電機可達到的最大輸出值。本方法測得的納米發電機輸出電壓（電流）有很好的準確性和穩定性，對納米發電機的輸出性能評價、器件參數表征以及相關集成器件的設計具有重要意義。
【專利說明】
準確表征納米發電機輸出電壓或電流值的測試方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種納米發電機輸出電壓或電流值的測試方法，在納米發電機性能的精確表征和分析方面有重要意義。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著新能源利用成本的降低，全球能源格局的發生調整，新能源的利用受到越來越的重視，其中核能、風能、太陽能等新能源技術因發展較早而率先得到應用，然而這些能源的分布受限于地域、時間、氣候等因素影響顯著。環境中還蘊藏著一種能源-機械能，這些能量幾乎無處不在，通過一定手段將這些能量收集起來并轉化為電能，將大大提高人類的能源利用效率。
[0003]納米發電機是一種利用壓電效應、摩擦起電效應等性質，結合納米技術將環境中分布的微弱機械能轉化為電能的器件。其中壓電納米發電機基于材料的壓電效應，即壓電材料發生形變時產生壓電電荷從而引起外部電子的流動;摩擦發電機則是基于摩擦起電效應，即不同材料間互相摩擦產生的分離的正負電荷從而引起電子流動。不同于傳統的發電器件(如電磁發電機、太陽能電池等)，納米發電機的輸出為脈沖形式的交流電而不是恒定的電輸出。當納米發電機在外界機械作用下發生形變時，會瞬時輸出沿一個方向的脈沖電流，當外界機械力撤銷形變回復時，會產生相反方向的脈沖電流。對這種交流脈沖輸出電信號進行精確測試是納米發電機性能表征的關鍵，同時對于納米發電機輸出電能的有效利用具有重要意義。
[0004]現有的對納米發電機的測試方法是將納米發電機兩極直接與電壓(電流)測試儀相連，實時記錄納米發電機在機械作用下產生的電壓(電流)隨時間的變化，即輸出電壓(電流)_時間曲線。理論上，納米發電機的輸出電壓(電流)只與所受的應力或應變大小有關。然而在現有的實際測量中，納米發電機的輸出大小受應力或應變速率的影響十分明顯，應力或應變速率越大輸出電壓(電流)越大。因此對同一個器件，即使施加相同大小的應力或應變，由于不能保證施加過程中的速率控制完全一致，造成測量結果千差萬別，很難具有可比性。這嚴重影響了納米發電機的性能評價和提高。
【發明內容】
[0005]為了解決上述問題，本發明的目的是提供一種可以有效排除應力或應變速率對納米發電機輸出造成的影響，且總能測得納米發電機在應力或應變速率不斷增大時所接近的最大輸出極限，是一種可穩定、準確地表征納米發電機輸出電壓(電流)的通用測試方法。
[0006]本發明的技術方案是:一種準確測量納米發電機輸出電壓或電流的方法，該方法是通過在施加或撤銷應力或應變之前，先將納米發電機與電壓或電流測試儀相連的測試電路斷開，待應力或應變施加完成后，閉合測試電路的瞬間可測得脈沖輸出電壓或電流值，可測得連續循環的納米發電機輸出電壓或電流-時間曲線。
[0007]該方法的具體包括如下: 步驟1:將壓電納米發電機、電壓或電流測試儀、開關串聯成回路，電壓或電流測試儀可實時記錄壓電納米發電機的輸出電壓或電流隨時間的變化；
步驟2:先將所述開關置于斷開狀態，向納米發電機施加定量的應力或應變，應力或應變施加過程中的速率可為任意，在此過程中電壓或電流測試儀測得的實時電壓或電流值一直為零；
步驟3:待施加完應力或應變后將所述開關閉合，此時所述電壓或電流測試儀測得沿一個方向的脈沖輸出電壓或電流值；
步驟4:待所述電壓或電流測試儀測得的實時電壓或電流值再次回復至零，再將所述開關置于斷開狀態，然后將所施加的應力或應變撤銷，撤銷的速率可任意，在此過程中電壓或電流測試儀測得的實時電壓或電流為零；
步驟5:撤銷完應力或應變后再將開關閉合，這時電壓或電流測試儀會測得沿相反方向的脈沖輸出電壓或電流值，重復步驟2至步驟5的操作，可測得連續循環的納米發電機輸出穩定的電壓或電流值，實時記錄所述電壓或電流值隨時間的變化曲線，即得到電壓或電流值-時間曲線圖。
[0008]進一步，所述納米發電機為基于壓電效應、摩擦起電效應的原理工作的壓電納米發電機或摩擦納米發電機。
[0009]進一步應力或應變是施加在納米發電機上使其產生電輸出的機械作用，如外界力使壓電納米發電機發生形變，使摩擦發電機摩擦層之間發生相對運動;應力或應變速率即應力或應變的作用速率。
[0010]進一步，所述應力或應變可以以任何速率施加于納米發電機上，對其施加過程中的方式、路徑不做控制。
[0011]進一步，斷開是指以任何方式將納米發電機與測試儀器構成的回路斷開，閉合是指以任何方式將納米發電機與測試儀器構成的回路接通。
[0012]本專利所提出的測試方法與傳統方法有本質的不同。傳統方法中，在施加或撤銷應變的過程中測試電路一直保持處于聯通狀態，這會導致電路中電子在應力或應變施加的開始階段即發生流動，因此當應力或應變尚未達到最終值時已經有部分電子發生迀移。盡管需要迀移的電子總量取決于最終的應力或應變大小有關，由于應力或應變的施加總需要一定的時間，這使得總量一定的電子在不同的時間內發生迀移，從而造成測得的電壓(電流)值受到應力或應變速率影響。在本方法中，由于在應力或應變改變之前先將測試電路置于斷開狀態，因而電子無法在應力或應變施加過程中進行迀移，而是集中在電路閉合之后的瞬間發生流動，這就可使測得的輸出電壓(電流)不受應力或應變速率的影響。值得注意的是，本方法比之于傳統方法，雖然表面上體現在添加了適時斷開電路的操作，但是其基于的原理是納米發電機的電容器性質，這是對納米發電機工作原理的全新認識。正是由于納米發電機具有電容器性質，斷開電路時電荷仍能保存在納米發電機的兩個電極中而不會流失。采用本方法測得的納米發電機輸出電壓(電流)有很好的準確性和穩定性，如圖3所示，采用傳統用方法測得的納米發電機輸出電流隨應變速率的降低明顯減小，而采用本方法測得的納米發電機輸出電流不再受應變速率的影響，且測得的輸出電流總為傳統方法測得的最大輸出極限。這一方法對納米發電機的輸出性能評價、器件參數表征以及相關集成器件的設計具有重要意義。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發明測試電路示意圖。
[0014]圖2本發明測試步驟示意圖。
[0015]圖3本方法和傳統方法測得的不同應變速率下納米發電機輸出電流對比(a)本方法(b)傳統方法。
【具體實施方式】
[0016]下面結合實例對本發明的技術方案進行詳細說明。顯然，所描述的實例僅僅是示意性的，并不能包含本發明的全部內容。本領域人員在本發明的啟發下進行變化所獲得的所有其他實例，都屬于本發明保護的范圍。
[0017]實施例1:
(1)將壓電納米發電機、電壓放大器、開關串聯成回路，電壓放大器與數據采集裝置連接，可實時記錄壓電納米發電機的輸出電壓隨時間的變化；
(2)先將開關置于斷開狀態，利用砝碼向壓電納米發電機垂直施加10Mpa應力，應力施加過程中的速率可為任意，在此過程中電壓放大器測得的實時電壓一直為零；
(3)施加完應力后將開關閉合，這時電壓放大器會測得沿一個方向的脈沖輸出電壓；
(4)待電壓放大器測得的實時電壓再次回復至零，將開關置于斷開狀態，然后將所施加的應力撤銷，撤銷的速率可任意，在此過程中電壓放大器測得的實時電壓一直為零；
(5)撤銷完應力后將開關閉合，這時電壓放大器會測得沿相反方向的脈沖輸出電壓；
(6)重復(2)-(5)操作，可測得連續循環的壓電納米發電機輸出電壓-時間曲線。
[0018]實施例2:
(1)將壓電納米發電機、電流放大器、開關串聯成回路，電流放大器與數據采集裝置連接，可實時記錄壓電納米發電機的輸出電流隨時間的變化；
(2)先將開關置于斷開狀態，利用可編程加力設備向壓電納米發電機精確施加5Mpa應力，應力施加過程中壓頭的運動速率可為任意，在此過程中電流放大器測得的實時電流一直為零；
(3)施加完應力后將開關閉合，這時電流放大器會測得沿一個方向的脈沖輸出電流；
(4)待電流放大器測得的實時電流再次回復至零，將開關置于斷開狀態，然后將所施加的應力撤銷，撤銷過程的壓頭運動速率可為任意，在此過程中電流放大器測得的實時電流一直為零；
(5)撤銷完應力后將開關閉合，這時電流放大器會測得沿相反方向的脈沖輸出電流；
(6)重復(2)-(5)操作，可測得連續循環的壓電納米發電機輸出電流-時間曲線，如圖3
(a)所示。
[0019]實施例3:
(1)將摩擦納米發電機、電流放大器、開關串聯成回路，電流放大器與數據采集裝置連接，可實時記錄壓電納米發電機的輸出電流隨時間的變化；
(2)先將開關置于斷開狀態，使摩擦納米發電機兩個摩擦層相互接觸摩擦，然后兩摩擦層分離形成相對位移I cm，位移的速率可為任意； (3)位移完成后將開關閉合，這時電流放大器會測得沿一個方向的脈沖輸出電流；
(4)待電流放大器測得的實時電流再次回復至零，將開關置于斷開狀態，然后將兩摩擦層之間的位移回復至零，回復過程的位移速率可為任意，在此過程中電流放大器測得的實時電流一直為零；
(5)位移回復至零后將開關閉合，這時電流放大器會測得沿相反方向的脈沖輸出電流；
(6)重復(2)-(5)操作，可測得連續循環的摩擦納米發電機輸出電流-時間曲線。
[0020]以上對本發明的實施例進行了詳細說明，但所述內容僅為本發明的較佳實施例，不能被認為用于限定本發明的實施范圍。凡依本發明申請范圍所作的均等變化與改進等，均應仍歸屬于本發明的專利涵蓋范圍之內。
【主權項】
1.一種準確測量納米發電機輸出電壓或電流的方法，其特征在于:該方法是通過在施加或撤銷應力或應變之前，先將納米發電機與電壓或電流測試儀相連的測試電路斷開，待應力或應變施加完成后，閉合測試電路的瞬間可測得脈沖輸出電壓或電流值，可測得連續循環的納米發電機輸出電壓或電流-時間曲線。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，該方法的具體包括如下: 步驟1:將壓電納米發電機、電壓或電流測試儀、開關串聯成回路，電壓或電流測試儀可實時記錄壓電納米發電機的輸出電壓或電流隨時間的變化； 步驟2:先將所述開關置于斷開狀態，向納米發電機施加定量的應力或應變，應力或應變施加過程中的速率可為任意，在此過程中電壓或電流測試儀測得的實時電壓或電流值一直為零； 步驟3:待施加完應力或應變后將所述開關閉合，此時所述電壓或電流測試儀測得沿一個方向的脈沖輸出電壓或電流值； 步驟4:待所述電壓或電流測試儀測得的實時電壓或電流值再次回復至零，再將所述開關置于斷開狀態，然后將所施加的應力或應變撤銷，撤銷的速率可任意，在此過程中電壓或電流測試儀測得的實時電壓或電流為零； 步驟5:撤銷完應力或應變后再將開關閉合，這時電壓或電流測試儀會測得沿相反方向的脈沖輸出電壓或電流值，重復步驟2至步驟5的操作，可測得連續循環的納米發電機輸出穩定的電壓或電流值，實時記錄所述電壓或電流值隨時間的變化曲線，即得到電壓或電流值-時間曲線圖。3.如權利要求1所述的納米發電機，其特征在于:所述納米發電機為基于壓電效應、摩擦起電效應的原理工作的壓電納米發電機或摩擦納米發電機。
【文檔編號】G01R19/00GK105823919SQ201610184286
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月28日
【發明人】張躍, 張光杰, 廖慶亮
【申請人】北京科技大學