一种摩擦发电式位移检测装置与能量收集系统的制作方法

本实用新型属于摩擦发电技术领域，具体涉及一种摩擦发电式位移检测装置与能量收集系统。

背景技术：

在安全监测、设备运行等领域中，保持设备或物体的定位，使其不发生相对移动具有重要意义。现有的位移传感器或位移检测装置多基于机械、磁感应和光学原理，具有较为复杂的机械和电子结构，不仅制造成本高，而且对应用环境的电磁防护、清洁程度等有较为严格的要求。此外，机械设备在运行过程中产生机械振动，该振动所具有的机械能多数情况下都未能回收利用，造成了能源的浪费。

技术实现要素：

基于上述全部或部分问题，本实用新型提供一种摩擦发电式位移检测装置，能够检测被测对象与参照对象之间是否发生相对位移，其制造成本较低，对应用环境要求较低，并且能够回收一部分机械设备运行过程中产生的机械振动能以节约能源。另外，本实用新型还提供一种能量收集系统，以能量的形式存储摩擦发电式位移检测装置产生的电信号。

根据本实用新型的第一方面，提供了一种摩擦发电式位移检测装置，其包括：壳体；设于所述壳体内且相互接触的第一摩擦发电单元和第二摩擦发电单元；与被测对象相连的第一牵引部件和与参照对象相连的第二牵引部件；以及沿着所述预设方向设置在所述壳体内的第一弹性复位件，所述第一弹性复位件设于所述壳体和所述第一摩擦发电单元之间。其中，当所述被测对象相对于所述参照对象沿着所述预设方向运动时，所述第一摩擦发电单元在所述第一牵引部件的作用下相对于所述第二摩擦发电单元沿着所述预设方向滑动，并压缩所述第一弹性复位件，以使所述第一摩擦发电单元和第二摩擦发电单元在相对滑动过程中产生电信号。

进一步地，在所述壳体朝向所述第一摩擦发电单元的内壁上设有多个支撑凸起，和/或在所述壳体朝向所述第二摩擦发电单元的内部上设有多个支撑凸起。

进一步地，所述第一摩擦发电单元包括相互接合的第一电极和第一高分子聚合物层，而所述第二摩擦发电单元包括相互接合的第二电极和第二高分子聚合物层，其中所述第一高分子聚合物层和第二高分子聚合物层相对且接触的表面构成摩擦界面，以用于产生所述电信号；

进一步地，所述摩擦界面中的一个表面具有摩擦凸起，所述摩擦界面中的另一个表面具有能够容纳所述摩擦凸起的摩擦凹槽，所述摩擦凹槽设置成能够允许所述摩擦凸起沿着所述预设方向运动并与所述摩擦凸起始终接触。

进一步地，所述摩擦发电式位移检测装置还包括沿着所述预设方向设置在所述壳体的内壁与第二摩擦发电单元之间的第二弹性复位件；所述第一牵引部件沿着预设方向贯穿所述壳体且与所述第一摩擦发电单元相连，而所述第二牵引部件沿着所述预设方向的反向贯穿所述壳体且与所述第二摩擦发电单元相连；其中，当所述被测对象相对于所述参照对象沿着所述预设方向运动时，所述第一牵引部件将沿着所述预设方向牵引所述第一摩擦发电单元，而所述第二牵引部件将沿着所述预设方向的反向牵引所述第二摩擦发电单元，使得所述第一摩擦发电单元相对所述壳体沿着所述预设方向运动，并压缩所述第一弹性复位件，而所述第二摩擦发电单元相对所述壳体沿着预设方向的反向运动，并压缩所述第二弹性复位件。

进一步地，所述第一摩擦发电单元还包括与所述第一电极的远离所述第一高分子聚合物层的表面相连的第一绝缘基板，所述第二摩擦发电单元还包括与所述第二电极的远离所述第二高分子聚合物层的表面相连的第二绝缘基板；其中，所述第一绝缘基板与第一牵引部件相连，所述第一弹性复位件的一端与所述壳体的内壁相接触或相连，而其另一端与所述第一绝缘基板相接触或相连；所述第二绝缘基板与所述第二牵引部件相连，所述第二弹性复位件的一端与所述壳体的内壁相接触或相连，而其另一端与所述第二绝缘基板相接触或相连。

进一步地，所述第一高分子聚合物层和所述第一电极均为与预设方向相平行的平板结构，第一绝缘基板具有与所述第一电极平行相接的第一绝缘式平板部，以及连接所述第一绝缘式平板部和第一牵引部件的第一衔接式平板部，其中所述第一绝缘式平板部和第一衔接式平板部垂直，所述第一弹性复位件的一端与所述第一衔接式平板部相接触或相连，而其另一端与所述壳体的内壁相接触或相连；所述第二高分子聚合物层和所述第二电极均为与预设方向相平行的平板结构，所述第二绝缘基板具有与所述第二电极平行相接的第二绝缘式平板部，以及连接所述第二绝缘式平板部和第二牵引部件的第二衔接式平板部，所述第二衔接式平板部和第二绝缘式平板部垂直，其中所述第二弹性复位件的一端与所述第二衔接式平板部接触或相连，而其另一端与所述壳体的内壁相接触或相连。

进一步地，所述第一高分子聚合物层是与所述预设方向平行的平板结构，所述第一电极具有与所述第一高分子聚合物层相接合的第一导电式平板部，以及连接所述第一导电平板部和第一牵引部件的第三衔接式平板部，其中所述第三衔接式平板部和第一导电式平板部垂直，所述第一弹性复位件的一端与所述壳体的内壁相接触或相连，而其另一端与所述第三衔接式平板部接触或相连；所述第二高分子聚合物层是与所述预设方向平行的平板结构，所述第二电极具有与所述第二高分子聚合物层相接合的第二导电式平板部，以及连接所述第二导电平板部和第二牵引部件的第四衔接式平板部，所述第四衔接式平板部和第二导电式平板部垂直，其中所述第二弹性复位件的一端与所述第四衔接式平板部接触或相连，而其另一端与所述壳体的内壁相接触或相连。

进一步地，所述壳体的外形是立方体形或长方体形，所述预设方向与所述壳体的六个面中的两个相对面垂直。

进一步地，所述壳体包括具有开口端和封闭端的桶体及扣合在所述桶体的开口端上的且能够相对所述桶体在预定范围内轴向移动的盖体，其中所述预设方向与所述壳体的轴线相平行，所述第一牵引部件与所述盖体的封闭端相连，所述第二牵引部件与所述桶体相连；第一电极是同轴地设于所述桶体内的筒结构状或柱状结构，所述第一高分子聚合物层、第二高分子聚合物层和第二电极是由内向外依次套设在所述第一电极外的三层筒状结构，其中所述第二电极通过绝缘套与所述桶体的内壁相连，所述第一电极通过绝缘垫与所述盖体的内壁相连，所述第一弹性复位件的一端与所述第一摩擦单元的端部相连，而其另一端与所述桶体的封闭端内壁相连；其中，当所述被测对象相对于所述参照对象沿着所述预设方向运动时，所述第一牵引部件将沿着所述预设方向牵引所述盖体和所述第一摩擦发电单元，而所述第二牵引部件将沿着所述预设方向的反向牵引所述桶体和所述第二摩擦发电单元，使得所述盖体和所述第一摩擦发电单元相对于所述桶体和所述第二摩擦发电单元沿着所述预设方向运动，而所述第一弹性复位件在所述桶体和第一摩擦发电单元的作用下被拉伸。

进一步地，在所述桶体的开口端上设有朝向所述盖体的内周壁延伸的所述第一防脱凸缘，在所述盖体的开口端上设有朝向所述桶体外周边延伸的第二防脱凸缘，当所述盖体扣合到所述桶体上后，所述第二防脱凸缘比所述第一防脱凸缘更靠近所述桶体的封闭端，且所述第一防脱凸缘与所述第二防脱凸缘之间的最大间距等于所述预定范围。

进一步地，所述摩擦发电式位移检测还包括沿着预设方向布置的第二弹性复位件，所述第二弹性复位件的一端与所述桶体的开口端相连，而其另一端与所述盖体的底部内壁相连。

进一步地，所述壳体的材料为绝缘材料；或者所述壳体的材料是导电材料，所述第一牵引部件和第二牵引部件、第一弹性复位件是绝缘材料。

本实用新型的摩擦发电式位移检测装置在检测被测对象相对参照对象产生位移时，第一摩擦发电单元在第一引部件作用下被迫相对于第二摩擦发电单元沿着预设方向滑动，以使第一摩擦发电单元和第二摩擦发电单元在相对滑动过程中产生电信号，该电信号适合作为位移测定参数和以电能的形式输出。与现有技术基于机械、磁感应和光学原理的位移传感器相比，本实用新型的摩擦发电式位移检测装置具有灵敏度高、结构简单、制造成本低、无需电源、抗干扰能力强，适用范围广的诸多优点。并且，该摩擦发电式位移检测装置还可用于收集低频和高频的机械振动能，发电效率高。

同时，当第一摩擦发电单元相对于第二摩擦发电单元沿着预设方向滑动结束后，且被测对象和参照对象中至少一个已不对第一牵引部件或第二牵引部件施加作用力时，弹性变形的第一弹性复位件至少能够通过自身弹力将第一摩擦发电单元(或者第一和第二摩擦发电单元)恢复到原始位置，以保证该装置能够顺利进行下一次的检测。

此外，本实用新型的摩擦发电式位移检测装置的结构简单，制造方便，使用安全可靠，便于实施推广应用。

根据本实用新型的第二方面，提供了一种能量收集系统，其包括根据本实用新型第一方面所述的摩擦发电式位移检测装置以及储能装置；其中，所述第一电极和第二电极构成信号输出端；所述储能装置对所述电信号进行储存。

进一步地，所述的能量收集系统还包括整流装置，所述整流装置分别与所述摩擦发电式位移检测装置和所述储能装置相连，用于对所述电信号进行整流处理后储存。

本实用新型的能量收集系统能够通过本实用新型的第一方面所述摩擦发电式位移检测装置来收集机械振动能量，并且同时适用于低频和高频振动的能量收集，发电效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1是本实用新型实施例一的摩擦发电式位移检测装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例二的摩擦发电式位移检测装置的结构示意图；

图3a是本实用新型实施例三的摩擦发电式位移检测装置的径向剖视图；

图3b是本实用新型实施例三的摩擦发电式位移检测装置的轴向剖视图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

实施例一

图1是本实用新型实施例一的摩擦发电式位移检测装置10a的结构示意图。如图1所示，该摩擦发电式位移检测装置10a包括壳体3、设于壳体3 内的第一摩擦发电单元1、设于壳体3内且与第一摩擦发电单元1相接触的第二摩擦发电单元2、沿着预设方向S1贯穿壳体3的且与第一摩擦发电单元1相连的第一牵引部件4和沿着预设方向S1的反向贯穿壳体3且与第二摩擦发电单元2相连的第二牵引部件5，以及设置在壳体3的内壁与第一摩擦发电单元1之间的第一弹性复位件6。第一牵引部件4和第二牵引部件5 用于分别与被测对象和参照对象相连。其中，第一弹性复位件6和下文所述的第二弹性复位件7皆可以是弹簧、橡胶和硅胶等具有高弹性性能的部件。

根据本实用新型，当被测对象相对于参照对象沿着预设方向S1运动时，第一牵引部件4将沿着预设方向S1牵引第一摩擦发电单元1，而第二牵引部件5将沿着预设方向S1的反向牵引第二摩擦发电单元2，使得第一摩擦发电单元1相对壳体3沿着预设方向S1运动，并压缩第一弹性复位件6，而第二摩擦发电单元2相对壳体3沿着预设方向的反向运动，其中第一摩擦发电单元1在第一牵引部件4的作用下被迫相对第二摩擦发电单元2滑动，以使第一摩擦发电单元1和第二摩擦发电单元2在相对滑动过程中产生适合作为位移测定参数和电能的电信号。当第一摩擦发电单元1相对于第二摩擦发电单元2沿着设定方向S1滑动结束后，且被测对象和参照对象中至少一个已不对第一牵引部件4或第二牵引部件5施加作用力时，压缩状态下的第一弹性复位件6可通过自身弹力将第一摩擦发电单元1推回到原始位置，以保证该装置10a能够顺利进行下一次的检测。

也就是说，当被测对象与参考对象发生相对移动时，本实用新型实施例一的摩擦发电式位移检测装置10a通过第一摩擦发电单元1和第二摩擦发电单元2产生适合作为位移测定参数和电能的电信号，与现有技术基于机械、磁感应和光学原理的位移传感器相比，具有灵敏度高、结构简单、制造成本低、无需电源、抗干扰能力强，适用范围广的诸多优点。并且，该摩擦发电式位移检测装置10a还可用于收集低频和高频的机械振动能，发电效率高。

为了防止第一摩擦发电单元1和第二摩擦发电单元2之间出现短接现象，对该装置内的部件按照如下方式之一设置：第一，壳体3的材料为绝缘材料；第二，壳体3的材料是导电材料，第一牵引部件4和第二牵引部件5、第一弹性复位件6皆是绝缘材料。

第一摩擦发电单元1和第二摩擦发电单元2的组合属于一种摩擦发电机，其可以选为三层结构的摩擦发电机，也可选为四层结构的摩擦发电机，或者是更多层的摩擦发电机。在图1所示的优选实施例中，第一摩擦发电单元1可包括相互接合的第一电极11和第一高分子聚合物层12，而第二摩擦发电单元2可包括相互接合的第二电极21和第二高分子聚合物层22，其中第一高分子聚合物层12和第二高分子聚合物层22相对且接触的表面构成摩擦界面，第一摩擦发电单元1相对于第二摩擦发电单元2滑动时，摩擦界面中两个表面因摩擦而产生上述电信号。第一电极11和第二电极21构成该装置10a的信号输出端。

为了增强发电效率并提高该装置10a的灵敏度，该摩擦界面中的一个表面具有摩擦凸起12c，而摩擦界面中的另一个表面具有能够容纳摩擦凸起12c 的摩擦凹槽22c，其中该摩擦凹槽22c设置成能够允许摩擦凸起12c沿着预设方向S1运动并与摩擦凸起12c始终接触。当第一摩擦发电单元1相对于第二摩擦发电单元2沿着预设方向S1滑动时，摩擦凸起12c被迫在摩擦凹槽22c内将沿着预设方向S1接触式滑动，摩擦凸起12c和摩擦凹槽22c产生一部分电信号，摩擦界面中除摩擦凸起12c和摩擦凹槽22c之余的部分产生另一部分电信号。与平面的摩擦界面相比，摩擦凸起12c和摩擦凹槽22c 能够增加摩擦界面中两个表面的接触面积，有利于提高第一摩擦发电单元1 和第二摩擦发电单元2之间电信号的输出。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盘式结构，也可以是与预设方向S1相平行的长条状沟槽结构。

第二摩擦发电单元2在相对于壳体3移动后即便不恢复到原始位置也不导致该装置10a无法输出电信号。但为了让该装置10a能够在反复使用过程中高效稳定地输出电信号，移动后的第二摩擦发电单元2最好可顺利恢复到原始位置。为了实现这一目的，该装置10a可还包括沿着预设方向S1布置的且设置在壳体3的内壁与第二摩擦发电单元2之间的第二弹性复位件7。其中，第一弹性复位件6和第二弹性复位件7设于第一摩擦发电单元1和第二摩擦发电单元2的组合体的两侧，当第一摩擦发电单元1相对第二摩擦发电单元2沿着预设方向S1滑动时，第一摩擦发电单元1相对壳体3沿着预设方向S1运动，并压缩第一弹性复位件6，而第二摩擦发电单元2相对壳体3沿着预设方向S1的反向运动，并压缩第二弹性复位件7。当第一摩擦发电单元1相对于第二摩擦发电单元2沿着设定方向S1滑动结束后，且被测对象和参照对象中至少一个已不对第一牵引部件4或第二牵引部件5施加作用力时，压缩状态下的第一弹性复位件6可通过自身弹力将第一摩擦发电单元1推回到原始位置，而压缩状态下的第二弹性复位件7可通过自身弹力将第二摩擦发电单元2推回到原始位置，以保证该装置10a能够在反复使用过程中高效稳定地输出电信号。

第一高分子聚合物层12是与预设方向S1平行的平板结构，第一电极 11具有与第一高分子聚合物层12相接合的第一导电式平板部11a，以及连接第一导电平板部11a和第一牵引部件4的第三衔接式平板部11b。其中，第三衔接式平板部11b和第一导电式平板部11a垂直，第一弹性复位件6的一端与壳体3的内壁相接触或相连，而其另一端与第三衔接式平板部11b接触或相连。其中，第三衔接式平板部11b有利于第一弹性复位件6和第一牵引部件4简单可靠地布置在壳体3内，以保证第一弹性复位件6和第一牵引部件4能够顺利执行各自的功能。

第二高分子聚合物层22是与预设方向S1平行的平板结构，第二电极 21具有与第二高分子聚合物层22相接合的第二导电式平板部21a，以及连接第二导电平板部21a和第二牵引部件5的第四衔接式平板部21b，第四衔接式平板部21b和第二导电式平板部21a垂直，其中第二弹性复位件7的一端与第四衔接式平板部21b接触或相连，而其另一端与壳体3的内壁相接触或相连。其中，第四衔接式平板部21b有利于第二弹性复位件7和第二牵引部件5简单可靠地布置在壳体3内，以保证第二弹性复位件7和第二牵引部件5能够顺利执行各自的功能。

壳体3的外形无需特别限定，既可以是常规形状，也可以是非常规形状，只要不影响第一摩擦发电单元1和第二摩擦发电单元2的相对运动即可。不过在本实施例中，为了方便将上文形式的第一摩擦发电单元1和第二摩擦发电单元2布置在壳体3内，壳体3优选为立方体形或长方体形，而预设方向 S1与壳体3的六个面中的两个相对面垂直。通过这种方式，一方面是有利于降低壳体3的加工难度而节约壳体3的制造成本，另一方面是让上文形式的第一摩擦发电单元1和第二摩擦发电单元2极易布置在壳体3内，并且壳体3基本上不易干扰第一摩擦发电单元1和第二摩擦发电单元2的相对运动。

在图1所示实施例中，在壳体3朝向第一摩擦发电单元1的内壁上设有多个支撑凸起8，和/或在壳体3朝向第二摩擦发电单元2的内壁上设有多个支撑凸起8。支撑凸起8对第一摩擦发电单元1和/或第二摩擦发电单元2进行支撑，避免第一摩擦发电单元1和/或第二摩擦发电单元2与壳体3进行大面积的摩擦，以阻碍二者的相对滑动，有利于提高该装置10a的电信号的输出，进而提高该装置10a的灵敏度。支撑凸起8的形状不做特别限定，不过优选半球体状或半圆柱状，以降低其自身与第一摩擦发电单元1或第二摩擦发电单元2之间的摩擦面积，有利于进一步提高该装置10a的灵敏度。需要说明的是，当壳体3是导电材料时，所述支撑凸起8应是绝缘材料，以防止第一摩擦发电单元1和第二摩擦发电单元2之间出现短接现象。

实施例二

图2是本实用新型实施例二的摩擦发电式位移检测装置10b的结构示意图。如图1和图2所示，实施例二中的装置10b和实施例一中的装置10a不同之处在于第一摩擦发电单元1和第二摩擦发电单元2的结构。具体地讲，在实施例二中，第一摩擦发电单元1不仅包括相互接合的第一电极11和第一高分子聚合物层12，而且还包括与第一电极11的远离第一高分子聚合物层12的表面相连的第一绝缘基板13；而第二摩擦发电单元2不仅包括相互接合的第二电极21和第二高分子聚合物层22，而且还包括与第二电极21 的远离第二高分子聚合物层22的表面相连的第二绝缘基板23。同样地，第一高分子聚合物层12和第二高分子聚合物层22相对且接触的表面构成摩擦界面，第一摩擦发电单元1相对于第二摩擦发电单元2滑动时，摩擦界面中两个表面因摩擦而产生上述电信号。通过第一绝缘基板13和第二绝缘基板 23可以有效防止第一摩擦发电单元1和第二摩擦发电单元2之间出现短接现象，放宽对壳体3、第一牵引部件4和第二牵引部件5、第一弹性复位件 6等部件的材料要求，既可以选择导电材料也可选择绝缘材料。

同样地，为了增强发电效率并提高该装置10b的灵敏度，该摩擦界面中的一个表面具有摩擦凸起12c，而摩擦界面中的另一个表面具有能够容纳的摩擦凹槽22c，其中该摩擦凹槽22c设置成能够允许摩擦凸起12c沿着预设方向S1运动并与摩擦凸起12c始终接触。当第一摩擦发电单元1相对于第二摩擦发电单元2沿着预设方向S1滑动时，摩擦凸起12c被迫在摩擦凹槽 22c内将沿着预设方向S1接触式滑动，摩擦凸起12c和摩擦凹槽22c产生一部分电信号，摩擦界面中除摩擦凸起12c和摩擦凹槽22c之余的部分产生另一部分电信号。与平面的摩擦界面相比，摩擦凸起12c和摩擦凹槽22c能够增加摩擦界面中两个表面的接触面积，有利于提高第一摩擦发电单元1和第二摩擦发电单元2的电信号的输出。

在本实施例中，第一高分子聚合物层12和第一电极11均为与预设方向相平行的平板结构，第一绝缘基板13具有与第一电极11平行相接的第一绝缘式平板部13a，以及连接第一绝缘式平板部13a和第一牵引部件4的第一衔接式平板部13b，其中第一绝缘式平板部13a和第一衔接式平板部13b垂直，第一弹性复位件6的一端与第一衔接式平板部13b接触或相连，而其另一端与壳体3的内壁相接触。其中，第一衔接式平板部13b有利于第一弹性复位件6和第一牵引部件4简单可靠地布置在壳体3内，以保证第一弹性复位件6和第一牵引部件4能够顺利执行各自的功能。

在本实施例中，第二高分子聚合物层22和第二电极21均为与预设方向 S1相平行的平板结构，第二绝缘基板23具有与第二电极21平行相接的第二绝缘式平板部23a，以及连接第二绝缘式平板部23a和第二牵引部件5的第二衔接式平板部23b，第二衔接式平板部23b和第二绝缘式平板部23a垂直，其中第二弹性复位件7的一端与第二衔接式平板部23b接触或相连，而其另一端与壳体的内壁相接触。其中，第二衔接式平板部23b有利于第二弹性复位件7和第二牵引部件5简单可靠地布置在壳体3内，以保证第二弹性复位件7和第二牵引部件5能够顺利执行各自的功能。

实施例三

如图3a和3b所示，该摩擦发电式位移检测装置10c包括壳体3。壳体 3包括具有开口端和封闭端的桶体31，以及扣合在桶体31的开口端上的且能够相对桶体31在预定范围内轴向移动的盖体32。在本实施例中，将与壳体3的轴线相平行的方向设定为预设方向S2。其中，桶体31和盖体32的横截面可以方形、圆形或多边行，不过为了方便制造起见，优选是圆形。

为了让盖体32能够相对于桶体31在预定范围内移动，在桶体31的开口端上设有朝向盖体32的内周壁延伸的第一防脱凸缘31a，在盖体32的开口端上设有朝向桶体31外周边延伸的第二防脱凸缘32a，当盖体32扣合到桶体31后，第二防脱凸缘32a比第一防脱凸缘31a更靠近桶体31的封闭端，且第一防脱凸缘31a与第二防脱凸缘32a之间的最大间距等于预定范围。通过第一防脱凸缘31a和第二防脱凸缘32a的配合，一方面可引导盖体32相对于桶体31顺利进行轴向移动，另一方面可限制盖体32只能相对桶体31 在预定范围内轴向移动，并防止盖体32意外地脱离桶体31。然而容易理解的是，除上述限位方式之外，其他常规限位方式也可以，如可通过凸起和滑槽的组合结构来执行上述限位功能。

该摩擦发电式位移检测装置10c还包括设于桶体31内的第一摩擦发电单元1、设于桶体31内且与第一摩擦发电单元1相接触的第二摩擦发电单元2、与盖体32相连的第一牵引部件4及与桶体31的封闭端相连的第二牵引部件5，以及沿着预设方向S2设置在桶体31的封闭端与第一摩擦发电单元1之间的第一弹性复位件6。其中，第一弹性复位件6的一端与第一摩擦发电单元1的端部相连，而其另一端与桶体31的封闭端内壁相连。其中，第一弹性复位件6和下文所述的第二弹性复位件7皆可以是拉簧、橡胶和硅胶等具有高弹性性能的部件。

为了防第一摩擦发电单元1和第二摩擦发电单元2之间出现短接现象，在一个实施方式中，壳体3的材料是绝缘材料，第一摩擦发电单元1可与盖体32相连，而第二摩擦发电单元2可与桶体31的内周壁相连；在另一个实施例方式中，壳体3的材料是导电材料，第一摩擦发电单元1可通过绝缘垫 92与盖体32相连，而第二摩擦发电单元2可通过绝缘套91与桶体31的内周壁相连。上述两种实施方式均可防止第一摩擦发电单元1和第二摩擦发电单元2之间出现短接现象。

根据本实用新型，当被测对象相对于参照对象沿着预设方向S2运动时，第一牵引部件4将沿着预设方向S2牵引盖体32，而第二牵引部件5将沿着预设方向S2的反向牵引桶体31，盖体32不得不相对于桶体31进行沿着预设方向S2运动，使得与盖体32直接或间接相连的第一摩擦发电单元1被迫相对于与桶体31直接或间接相连的第二摩擦发电单元2预设方向S2滑动，以使第一摩擦发电单元1和第二摩擦发电单元2在相对滑动过程中产生适合作为位移测定参数和电能的电信号。其中，当盖体32和第一摩擦发电单元 1相对于桶体31和第二摩擦发电单元2沿着预设方向S2运动时，第一弹性复位件6在桶体31和第一摩擦发电单元1的作用下被拉伸。也就是说，当第一摩擦发电单元1相对于第二摩擦发电单元2沿着设定方向S2滑动结束后，且被测对象和参照对象中至少一个已不对第一牵引部件4或第二牵引部件5施加作用力时，拉伸状态下的第一弹性复位件6可通过自身弹力将桶体 31和盖体32以及第一和第二摩擦发电单元1，2同时拉回到原始位置，以保证该装置10c能够顺利进行下一次的检测。

根据本实用新型，当被测对象与参考对象发生相对移动时，摩擦发电式位移检测装置10c可通过第一摩擦发电单元1和第二摩擦发电单元2产生适合作为位移测定参数和电能的电信号，与现有技术基于机械、磁感应和光学原理的位移传感器相比，具有灵敏度高、结构简单、制造成本低、无需电源、抗干扰能力强，适用范围广的诸多优点。并且，该摩擦发电式位移检测装置 10c还可用于收集低频和高频的机械振动能，发电效率高。

第一摩擦发电单元1和第二摩擦发电单元2的组合属于一种摩擦发电机，其可以选为三层结构的摩擦发电机，也可选为四层结构的摩擦发电机，或者是更多层的摩擦发电机。在图3a和3b所示优选的实施例中，第一摩擦发电单元1可包括相互接合的第一电极11和第一高分子聚合物层12，而第二摩擦发电单元2可包括相互接合的第二电极21和第二高分子聚合物层22，其中第一高分子聚合物层12和第二高分子聚合物层22相对且接触的表面构成摩擦界面，第一摩擦发电单元1相对于第二摩擦发电单元2滑动时，摩擦界面中两个表面因摩擦而产生上述电信号。

优选地，第一电极11是同轴地设于桶体31内的筒结构状或柱状结构，第一高分子聚合物层12、第二高分子聚合物层22和第二电极21是由内向外依次套设在第一电极21外的三层筒状结构，其中第一电极11通过绝缘垫 92与盖体32的内壁相连，第二电极21通过绝缘套91与桶体31的内壁相连。通过这种方式，第一高分子聚合物层12和第二高分子聚合物层22相对且接触的表面构成的摩擦界面将是一个曲面，与平面形式的摩擦界面相比，该曲面形式的摩擦界面能够提高第一摩擦发电单元1和第二摩擦发电单元2 之间电信号的输出。

为了增强发电效率并提高该装置10c的灵敏度，该摩擦界面中的一个表面具有摩擦凸起12c，而摩擦界面中的另一个表面具有能够容纳摩擦凸起12c 的摩擦凹槽22c，其中该摩擦凹槽22c设置成能够允许摩擦凸起12c沿着预设方向S2运动并与摩擦凸起12c始终接触。当第一摩擦发电单元1相对于第二摩擦发电单元2沿着预设方向S2滑动时，摩擦凸起12c被迫在摩擦凹槽22c内沿着预设方向S2接触式滑动，摩擦凸起12c和摩擦凹槽22c产生一部分电信号，摩擦界面中除摩擦凸起12c和摩擦凹槽22c之余的部分产生另一部分电信号。与圆柱面形式的摩擦界面相比，摩擦凸起12c和摩擦凹槽 22c能够增加摩擦界面中两个表面的接触面积，有利于提高第一摩擦发电单元1和第二摩擦发电单元2之间电信号的输出。优选地，摩擦凸起12c和摩擦凹槽22c的配合为花键形式的配合，即摩擦凸起12c和摩擦凹槽22c为与壳体轴向平行的长条状沟槽，以使该装置的摩擦界面具有较大的滑动行程，以进一步地提高第一摩擦发电单元1和第二摩擦发电单元2之间电信号的输出。

为了辅助第一弹性复位件6执行复位功能，该装置10c还包括第二弹性复位件7。第二弹性复位件7沿着预设方向S2布置，第二弹性复位件7的一端与桶体31的开口端相连，而其另一端与盖体32的底部内壁相连。当盖体32相对于桶体31滑动时，第二弹性复位件7可被桶体31和盖体32拉伸。也就是说，当盖体32和第一摩擦发电单元1相对于桶体31和第二摩擦发电单元2沿着设定方向S2滑动结束后，且被测对象和参照对象中至少一个已不对第一牵引部件4或第二牵引部件5施加作用力时，拉伸状态下的第二弹性复位件7可辅助拉伸状态的第一弹性复位件6，即通过自身弹力将桶体31 和盖体32以及第一和第二摩擦发电单元1，2同时拉回到原始位置，以保证该装置10c能够顺利进行下一次的检测。

本实用新型所述的装置用于位移检测时，将两个牵引部件分别与被测对象和参照对象连接，当被测对象与参照对象发生相对移动时，第一高分子聚合物层与第二高分子聚合物层发生相对滑动，二者相互摩擦产生自由电子的定向移动，自由电子进一步在第一电极和第二电极表面产生感应电荷；并且，第一电极和第二电极的相对滑动使二者之间的正对面积发生改变。第一电极和第二电极之间的电容随着感应电荷与正对面积的变化而变化，当第一电极与第二电极与外部电路接通时输出电信号。该装置对检测距离较远的对象是否发生相对移动同样适用，只需对牵引部件进行适当延长即可，应用范围广。此外，该装置还可通过第一摩擦发电单元和第二摩擦发电单元的往复运动收集机械振动能量，并且同时适用于低频和高频振动的能量收集，发电效率高。

实施例四

本实用新型的实施例四提供了一种能量收集系统，该能量收集系统包括上述任一个实施例中的摩擦发电式位移检测装置以及储能装置。其中，所述第一电极和第二电极构成信号输出端；所述储能装置对所述电信号进行储存。即摩擦发电式位移检测装置在机械振动的作用下，第一摩擦发电单元与第二摩擦发电单元相互接触摩擦产生的电信号经第一电极和第二电极输出后以电能的形式储存在储能装置内。本实用新型的实施例四的能量收集系统能够通过上述任一个实施例中的摩擦发电式位移检测装置来收集机械振动能量，并且同时适用于低频和高频振动的能量收集，发电效率高。其中，储能装置优选锂电池、镍氢电池或石墨烯超级电容等。

优选地，该能量收集系统还包括整流装置，所述整流装置分别与所述摩擦发电式位移检测装置和所述储能装置相连，用于对所述电信号进行整流处理后储存。对上述电信号的整流处理有利于储能装置更高效地储存电能。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“相接”、“相接合”、“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。