应用探析|高速摄像机在新型可拉伸摩擦电纳米发电机研究中的应用
智慧城市的发展离不开众多的应变传感器。由于锂离子电池容量受限，需频繁充电，且使用过多会造成高昂成本和一系列环境污染。作为新时代能源技术之一，摩擦电动纳米发电机(下文简称teng)因无污染(各型机械能如风能转化为电能)、体积小、成本低、结构简单、有效的能量转换，成为重要的能源技术方向。
传统的风能型teng通常是刚性和坚硬的，能量转换率较低，无法满足柔性化自供电型电子设备的发展需求。故研究通过新型复合材料在不同拉伸应变力下的能量转换机理进而提高风能型teng的性能成为科研热点。来*北京纳米能源与纳米系统研究所北京微纳米能量与传感器重点实验室的科学家们研究制备了一种基于新型复合材料的可拉伸装置(见图1)，以深入研究各项电气输出性能在不同拉伸应力下的变化机理。
1丙烯酸板和垫片；2石墨烯-pdms(聚二甲基硅氧烷，有机硅一种)纳米复合膜；3pdvf(聚偏氟乙烯，一种绝缘材料)-pdms纳米复合膜；
图1 一种基于石墨烯/ptfe-pdms复合拉伸材料的teng
该新型装置的运作机制为上下两层石墨烯-pdms薄膜周期性地与中间的ptfe-pdms薄膜在风力的作用下相互接触、分离，并因摩擦起电和静电感应作用，产生的电荷在正负电极上(安装在石墨烯-pdms薄膜上的两个铝箔)周期性的迁移，进而向外界输出交流电。
科研人员采用千眼狼高速振动位移测量系统观测和记录teng在不同拉伸应力条件下薄膜的接触及相对位移情况，进而探究不同振动条件、上下层薄膜设计结构对电能输出之间的影响。图2为高速摄像机拍摄的teng在0%拉伸应力下一个振动周期内的照片，图片中可清晰地看到上下两层石墨烯层周期性与中间的ptfe依次接触、分离。
图2 0%应力下一个振动周期的图片
图3为千眼狼高速摄像机抓取的不同拉伸应力下0%、20%、40%、60%、70%下薄膜的石墨烯-pdms层和ptfe-pdms层在振动中的接触情况，可以看到70%应力下接触面积增大了2.35倍。亦可通过精准的标定计算出上中下各层薄膜在不同拉伸应力下的相对位置变化(图4)，进而推算不同应力下接触面积和输出正负电荷的关系。
图3 0%和70%应力下的接触
图4 各层薄膜相对位置变化
为进一步研究拉伸应变对teng输出电压/振动频率的影响，科研人员用千眼狼高速摄像机从竖向视角对不同应力下复合膜的宽度进行观测(见图5)，可以看出，随着应力的增大，复合膜宽度逐渐减小，输出电压/振动频率呈现出增加趋势(见图6)。再通过自然对数拟合，得到输出电压/振动频率与不同应力的线性关系(见图7)，可计算出基于石墨烯/ptfe-pdms符合材料的新型teng的电压/振动频率应变灵敏度为1.75/0.97(应力区间0% < ε ≤ 45%)、0.65/0.4(应力区间50% < ε ≤ 70%)，足以证明可伸缩的teng可作为采集风能实现自给供电的超灵敏的应变传感器，实质化助推智慧城市的建设。
图5 不同压力下teng侧视图
图6压力-电压关系图
图7 电压/振动频率与应力之间的自然对数拟合曲线
附：千眼狼振动位移测量系统介绍
可精准观测振动物体、薄膜的全部动态特性，一次测量整片区域振动情况
搭载千眼狼专业测量软件可获取物体表面三维坐标，应用于全场应变、位移、振幅、模态、速度、加速度、角速度、转速等信息的测量和获取
支持搭配各型镜头、搭配多型设备如脉冲激光、振动台、拉力机等进行研究；支持外部力学信号实时加载至图像上。
核心性能参数2320x1720@500fps
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图3为千眼狼高速摄像机抓取的不同拉伸应力下0%、20%、40%、60%、70%下薄膜的石墨烯-pdms层和ptfe-pdms层在振动中的接触情况，可以看到70%应力下接触面积增大了2.35倍。亦可通过精准的标定计算出上中下各层薄膜在不同拉伸应力下的相对位置变化(图4)，进而推算不同应力下接触面积和输出正负电荷的关系。
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