准确表征纳米发电机输出电压或电流值的测试方法

摘要

本发明一种准确表征纳米发电机输出电压或电流的测试方法，该方法通过施加或撤销应力或应变之前，先使纳米发电机与电压（电流）测试仪相连的测试电路处于断开状态；施加或撤销应力或应变状态稳定之后，再将测试电路接通，可稳定、准确地测得脉冲输出电压（电流）。这种测试方法可完全排除传统测试方法中应力或应变速率对测试结果造成的影响，且能使每次测量都能得到纳米发电机可达到的最大输出值。本方法测得的纳米发电机输出电压（电流）有很好的准确性和稳定性，对纳米发电机的输出性能评价、器件参数表征以及相关集成器件的设计具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米发电机输出电压或电流值的测试方法，在纳米发电机性能的 精确表征和分析方面有重要意义。

背景技术

近年来，随着新能源利用成本的降低，全球能源格局的发生调整，新能源的利用受 到越来越的重视，其中核能、风能、太阳能等新能源技术因发展较早而率先得到应用，然而 这些能源的分布受限于地域、时间、气候等因素影响显著。环境中还蕴藏着一种能源-机械 能，这些能量几乎无处不在，通过一定手段将这些能量收集起来并转化为电能，将大大提高 人类的能源利用效率。

纳米发电机是一种利用压电效应、摩擦起电效应等性质，结合纳米技术将环境中 分布的微弱机械能转化为电能的器件。其中压电纳米发电机基于材料的压电效应，即压电 材料发生形变时产生压电电荷从而引起外部电子的流动；摩擦发电机则是基于摩擦起电效 应，即不同材料间互相摩擦产生的分离的正负电荷从而引起电子流动。不同于传统的发电 器件（如电磁发电机、太阳能电池等），纳米发电机的输出为脉冲形式的交流电而不是恒定 的电输出。当纳米发电机在外界机械作用下发生形变时，会瞬时输出沿一个方向的脉冲电 流，当外界机械力撤销形变回复时，会产生相反方向的脉冲电流。对这种交流脉冲输出电信 号进行精确测试是纳米发电机性能表征的关键，同时对于纳米发电机输出电能的有效利用 具有重要意义。

现有的对纳米发电机的测试方法是将纳米发电机两极直接与电压（电流）测试仪 相连，实时记录纳米发电机在机械作用下产生的电压（电流）随时间的变化，即输出电压（电 流）-时间曲线。理论上，纳米发电机的输出电压（电流）只与所受的应力或应变大小有关。然 而在现有的实际测量中，纳米发电机的输出大小受应力或应变速率的影响十分明显，应力 或应变速率越大输出电压（电流）越大。因此对同一个器件，即使施加相同大小的应力或应 变，由于不能保证施加过程中的速率控制完全一致，造成测量结果千差万别，很难具有可比 性。这严重影响了纳米发电机的性能评价和提高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种可以有效排除应力或应变速率对纳 米发电机输出造成的影响，且总能测得纳米发电机在应力或应变速率不断增大时所接近的 最大输出极限，是一种可稳定、准确地表征纳米发电机输出电压（电流）的通用测试方法。

本发明的技术方案是：一种准确测量纳米发电机输出电压或电流的方法，该方法 是通过在施加或撤销应力或应变之前，先将纳米发电机与电压或电流测试仪相连的测试电 路断开，待应力或应变施加完成后，闭合测试电路的瞬间可测得脉冲输出电压或电流值，可 测得连续循环的纳米发电机输出电压或电流-时间曲线。

该方法的具体包括如下：

步骤1：将压电纳米发电机、电压或电流测试仪、开关串联成回路，电压或电流测试仪可 实时记录压电纳米发电机的输出电压或电流随时间的变化；

步骤2：先将所述开关置于断开状态，向纳米发电机施加定量的应力或应变，应力或应 变施加过程中的速率可为任意，在此过程中电压或电流测试仪测得的实时电压或电流值一 直为零；

步骤3：待施加完应力或应变后将所述开关闭合，此时所述电压或电流测试仪测得沿一 个方向的脉冲输出电压或电流值；

步骤4：待所述电压或电流测试仪测得的实时电压或电流值再次回复至零，再将所述开 关置于断开状态，然后将所施加的应力或应变撤销，撤销的速率可任意，在此过程中电压或 电流测试仪测得的实时电压或电流为零；

步骤5：撤销完应力或应变后再将开关闭合，这时电压或电流测试仪会测得沿相反方向 的脉冲输出电压或电流值，重复步骤2至步骤5的操作，可测得连续循环的纳米发电机输出 稳定的电压或电流值，实时记录所述电压或电流值随时间的变化曲线，即得到电压或电流 值-时间曲线图。

进一步，所述纳米发电机为基于压电效应、摩擦起电效应的原理工作的压电纳米 发电机或摩擦纳米发电机。

进一步应力或应变是施加在纳米发电机上使其产生电输出的机械作用，如外界力 使压电纳米发电机发生形变，使摩擦发电机摩擦层之间发生相对运动；应力或应变速率即 应力或应变的作用速率。

进一步，所述应力或应变可以以任何速率施加于纳米发电机上，对其施加过程中 的方式、路径不做控制。

进一步，断开是指以任何方式将纳米发电机与测试仪器构成的回路断开，闭合是 指以任何方式将纳米发电机与测试仪器构成的回路接通。

本专利所提出的测试方法与传统方法有本质的不同。传统方法中，在施加或撤销 应变的过程中测试电路一直保持处于联通状态，这会导致电路中电子在应力或应变施加的 开始阶段即发生流动，因此当应力或应变尚未达到最终值时已经有部分电子发生迁移。尽 管需要迁移的电子总量取决于最终的应力或应变大小有关，由于应力或应变的施加总需要 一定的时间，这使得总量一定的电子在不同的时间内发生迁移，从而造成测得的电压（电 流）值受到应力或应变速率影响。在本方法中，由于在应力或应变改变之前先将测试电路置 于断开状态，因而电子无法在应力或应变施加过程中进行迁移，而是集中在电路闭合之后 的瞬间发生流动，这就可使测得的输出电压（电流）不受应力或应变速率的影响。值得注意 的是，本方法比之于传统方法，虽然表面上体现在添加了适时断开电路的操作，但是其基于 的原理是纳米发电机的电容器性质，这是对纳米发电机工作原理的全新认识。正是由于纳 米发电机具有电容器性质，断开电路时电荷仍能保存在纳米发电机的两个电极中而不会流 失。采用本方法测得的纳米发电机输出电压（电流）有很好的准确性和稳定性，如图3所示， 采用传统用方法测得的纳米发电机输出电流随应变速率的降低明显减小，而采用本方法测 得的纳米发电机输出电流不再受应变速率的影响，且测得的输出电流总为传统方法测得的 最大输出极限。这一方法对纳米发电机的输出性能评价、器件参数表征以及相关集成器件 的设计具有重要意义。

附图说明

图1为本发明测试电路示意图。

图2本发明测试步骤示意图。

图3本方法和传统方法测得的不同应变速率下纳米发电机输出电流对比（a）本方 法（b）传统方法。

具体实施方式

下面结合实例对本发明的技术方案进行详细说明。显然，所描述的实例仅仅是示 意性的，并不能包含本发明的全部内容。本领域人员在本发明的启发下进行变化所获得的 所有其他实例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

（1）将压电纳米发电机、电压放大器、开关串联成回路，电压放大器与数据采集装置连 接，可实时记录压电纳米发电机的输出电压随时间的变化；

（2）先将开关置于断开状态，利用砝码向压电纳米发电机垂直施加10Mpa应力，应力施 加过程中的速率可为任意，在此过程中电压放大器测得的实时电压一直为零；

（3）施加完应力后将开关闭合，这时电压放大器会测得沿一个方向的脉冲输出电压；

（4）待电压放大器测得的实时电压再次回复至零，将开关置于断开状态，然后将所施加 的应力撤销，撤销的速率可任意，在此过程中电压放大器测得的实时电压一直为零；

（5）撤销完应力后将开关闭合，这时电压放大器会测得沿相反方向的脉冲输出电压；

（6）重复（2）-（5）操作，可测得连续循环的压电纳米发电机输出电压-时间曲线。

实施例2：

（1）将压电纳米发电机、电流放大器、开关串联成回路，电流放大器与数据采集装置连 接，可实时记录压电纳米发电机的输出电流随时间的变化；

（2）先将开关置于断开状态，利用可编程加力设备向压电纳米发电机精确施加5Mpa应 力，应力施加过程中压头的运动速率可为任意，在此过程中电流放大器测得的实时电流一 直为零；

（3）施加完应力后将开关闭合，这时电流放大器会测得沿一个方向的脉冲输出电流；

（4）待电流放大器测得的实时电流再次回复至零，将开关置于断开状态，然后将所施加 的应力撤销，撤销过程的压头运动速率可为任意，在此过程中电流放大器测得的实时电流 一直为零；

（5）撤销完应力后将开关闭合，这时电流放大器会测得沿相反方向的脉冲输出电流；

（6）重复（2）-（5）操作，可测得连续循环的压电纳米发电机输出电流-时间曲线，如图3 （a）所示。

实施例3：

（1）将摩擦纳米发电机、电流放大器、开关串联成回路，电流放大器与数据采集装置连 接，可实时记录压电纳米发电机的输出电流随时间的变化；

（2）先将开关置于断开状态，使摩擦纳米发电机两个摩擦层相互接触摩擦，然后两摩擦 层分离形成相对位移1cm，位移的速率可为任意；

（3）位移完成后将开关闭合，这时电流放大器会测得沿一个方向的脉冲输出电流；

（4）待电流放大器测得的实时电流再次回复至零，将开关置于断开状态，然后将两摩擦 层之间的位移回复至零，回复过程的位移速率可为任意，在此过程中电流放大器测得的实 时电流一直为零；

（5）位移回复至零后将开关闭合，这时电流放大器会测得沿相反方向的脉冲输出电流；

（6）重复（2）-（5）操作，可测得连续循环的摩擦纳米发电机输出电流-时间曲线。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例， 不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等， 均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。