本发明涉及模拟铁路桥梁的摩擦纳米发电组件的试验平台、cs-teng测试方法 。
背景技术：
1、2012年，王中林团队首次提出摩擦纳米发电，其可以高效的将机械能转化为电信号。小巧无线的teng突出的优势是自供电。teng可以检测结构振动的位移、速度、加速度等，判断工程结构的安全性，尤其野外的工程检测方面，由于供电难以解决，摩擦纳米发电优势及其明显。如弹簧形式的teng、悬臂结构的teng、球类的teng、平滑类的、可变性的teng等。
2、而针对铁路桥梁，其振动一般都是被动的消耗，很少主动进行有效利用，转不利为有利，既可以实现对振动的吸收，又可以利用其作为外来源实现振动而摩擦发电，作为发电电源，以节约能源，可以与风力发电及太阳能发电有效结合。
3、本技术结合摩擦纳米发电，将其巧妙利用列车在高速铁路运行产生的桥梁振动，实现自激励发电。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题总的来说是提供一种模拟铁路桥梁的摩擦纳米发电组件的试验平台、cs-teng测试方法。本发明通过设计弹簧式cs-teng，采用试验的方法，测试其电输出特性，根据其结构特点，对其相应的简化，建立动力学分析模型，分析不同工况下，其动力特性（运动规律），并基于teng的电输出性能原理，建立动力特性与电输出性能的映射关系，采用部分工况的测试数据对未知参数进行拟合，并将参数代入另一部分工况，计算电输出性能，与测试数据对比，研究计算的准确性。本发明的作用可为teng设计优化提供理论依据，发挥teng在工程检测领域中的优势，为智能建造、智能运营维护提供新途径。
2、为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
3、一种模拟铁路桥梁的摩擦纳米发电组件的试验平台，包括发电单元；
4、发电单元包括支撑机架；
5、在支撑机架中对向设置有移动振子部与固定接触部；
6、移动振子部通过振动弹簧部设置在支撑机架中；
7、移动振子部与固定接触部接触或分离实现产生电信号。
8、作为上述技术方案的进一步改进：
9、移动振子部包括依次设置的振动支持部、振动泡棉层、振动铜板层及振动聚四氟乙烯层；
10、固定接触部包括依次设置的固定尼龙层、固定铜板层及固定泡棉层；
11、振动弹簧部在振动支持部与支撑机架对应内壁之间；
12、在固定泡棉层与支撑机架对应内壁之间设置有固定调高层。
13、发电单元配套有振动激励部；振动激励部用于产生振动，使得振动弹簧部做靠近或远离移动振子部的运动。
14、一种模拟铁路桥梁的摩擦纳米发电组件的测试方法，包括以下步骤，
15、步骤一，首先，搭建摩擦纳米发电组件并简化为单自由度系统模型，调整振动聚四氟乙烯层与固定尼龙层之间的间隙h；
16、移动振子部定义为质量块m，运动过程中受到振动弹簧部的支撑和空气阻尼；
17、当分别作为电极的振动聚四氟乙烯层与固定尼龙层接触时，由于泡棉层的作用，质量块m受到的弹簧力和阻尼力发生改变；
18、支撑机架为基础；
19、然后，假设基础的振动位移为y(t)，质量块m相对于基础的振动位移为x(t)，则在竖向上的微分方程为：
20、公式（1）；
21、其中，、、分别代表质量块m的加速度、速度和基础的加速度，、分别为阻尼和刚度，阻尼和弹簧刚度为与间隙h有关的变参数；
22、当质量块m发生相对位移小于间隙h时，仅考虑空气阻尼和弹簧刚度，
23、当质量块m向相运动，发生相对位移大于间隙h时，振动聚四氟乙烯层与固定尼龙层两电极发生接触；
24、公式（1）为二阶非线性非齐次微分方程，采用数值积分法进行求解。
25、其次，计算质量块m加速度的放大因子发生变化，计算见公式（2）；
26、公式（2）；
27、其中，频率比，黏性阻尼因子，结构固有频率；
28、得到解析后加速度a`=β*a ;
29、ω是基础施加荷载的圆频率。这里面涉及适用频率范围ω小于结构固有频率的三分之一，从而保证结构的加速度和施加的加速度一致了。
30、步骤二，分析cs-teng的输出性能，
31、输入不同的间隙h、加载频率及加速度，获取cs-teng产生的开路电压及电荷量；
32、其中，在同一加载频率下，随着加速度的增大，开路电压趋向线性增加；
33、在同一加速度下，随着频率的增加，电压呈增大趋势，当增加频率使得质量块m的向相相对位移大于间隙h时，两电极完全接触，摩擦起电效应发挥最大，电荷密度高于其他频率；
34、在不同频率、不同加速度作用下，电荷变化趋势与电压相同，均随着加载频率、加速度的增加呈增大趋势，当增加频率使得质量块m的向相相对位移大于间隙h时，两电极完全接触，摩擦起电效应发挥最大，电荷密度高于其他频率；
35、在不同加速度激励下，不同间隙h作用下，cs-teng的电压和电荷，随着间隙h的增大，电压和电荷均减小；
36、步骤三，建立摩擦纳米发电的运动规律和电输出性能的映射关系；
37、首先，根据步骤一与步骤二，得到的cs-teng的动力特性和电输出性能，根据cs-teng的运动规律和开路电压输出特性，拟合得到电荷密度，然后，将电荷密度代入电荷计算公式（4）中，并与步骤2的测试结果对比，验证计算的正确性；
38、s3.1，确定cs-teng的动力特性和电输出性能内在联系，其中，cs-teng系统输出控制方程为
39、公式（3）
40、其中，，（多了个括号，并确定dq，dt的含义）；
41、为发电单元（1）的外接电阻，为移动振子部（4）与固定接触部（5）接触面的电荷密度，两电极之间距离，为空气介电常数，接触面积，为移动振子部（4）与固定接触部（5）之间所有介电材料的有效厚度常数；
42、s3.2，根据周期荷载作用下的边界条件,公式（3）求解得到：
43、公式（4）；
44、公式（5）；
45、请明确每个参数的含义及如何得到及那个部件的参数，
46、根据公式（4）、（5）求解得到、，
47、其中，电荷密度采用数值分析的方法拟合得到电荷密度；
48、s3.3，在设定频率，不同加速度激励下，将cs-teng的运动规律、开路电压测试结果和相关参数代入公式（5），通过最小二乘法得到电荷密度，进而得到设定频率，不同加速度激励下，cs-teng电荷的理论计算值，再将电荷理论计算和试验数据对比，验证电荷的理论计算的准确性；
49、s3.4，将拟合得到的电荷密度和参数代入公式（4），则计算电荷的理论值，将电荷理论计算和试验数据对比，验证cs-teng运动规律和电输出性能建立理论计算关系的正确性；
50、其中，加速度传感器适用的频率范围小于倍加速度传感器固有频的率0.5，位移传感器适用的频率范围通常大于位移传感器固有频率的2倍。
51、一种铁路桥梁的摩擦纳米发电组件的试验，首先，安装权利要求1所述的试验平台到铁路桥梁的桥墩或铁轨之上并调试；然后，进行权利要求6所述的测试方法。
52、作为上述技术方案的进一步改进：
53、在调试试验平台时，通过固定调高层调整间隙h，根据测试桥梁所的工况配套谐振振子；
54、将液压支座安装在桥梁与桥墩之间，并将同一桥梁的液压支座分别通过连接管路共同连接有集中阀；当有列车通过桥梁，产生振动时，各液压支座的液压油与集中阀进行油液联动传输，通过液压支座及集中阀内置弹簧复位，从而带动伸缩活塞杆伸缩，从而实现对激励输入部，产生激励。
55、作为模型， cs-teng主要由尼龙（pa）、聚四氟乙烯（聚四氟乙烯ptfe）、铜cu、聚甲基丙烯酸甲酯pmma、泡棉（foam）和 弹簧组成，尼龙（pa）、聚四氟乙烯（聚四氟乙烯ptfe）作为两介电材料均为方形，长度为28mm，宽度为20mm，厚度为0.03mm，铜cu作为电极，pmma为结构的框架，泡棉层的设计是为了确保两个电极接触时不产生过大冲击。4个弹簧为聚四氟乙烯提供支撑作用，两电极之间的初始距离分别设计为0.5mm、1mm、1.5mm。
56、为建立了cs-teng运动规律与电输出性能的映射关系，本发明以弹簧式的cs-teng为例，采用试验及理论分析的方法，得到不同工况下，cs-teng的动力特性和电输出性能，并根据cs-teng的运动规律和开路电压输出性能，拟合得到未知参数，电荷密度，然后将电荷密度代入电荷计算公式中，并与测试结果对比，验证了计算的正确性。建立teng结构的动力特性与电输出性能的映射关系，可以为其设计优化提供理论依据。充分了解teng结构的动力特性，并根据工程检测中的实际需求，可以更加充分发挥teng在无线传感领域应用的优势，提升铁路桥梁检测，解决电源和布线问题，减轻人工成本，为智能建造、智能运营维护提供新途径。
57、cs-teng结构放置在激振器（jzk-20）上，并通过函数生成器(ye1311) 、放大器(ye5852)设置，发出不同频率、不同加速度的正弦激励。
58、本发明通过模拟铁路桥梁模型，进行仿真试验，从而为具体施工作业提供有效数据支撑，并将通过利用支座部分进行安装，可以将多处的支座处振动引起的油液变化汇集到集中，进行放大，通过弹簧实现复位回复，从而解决了桥梁长途布线的困难，还实现了对铁路桥梁病害的监测。
1.一种模拟铁路桥梁的摩擦纳米发电组件的试验平台，其特征在于：包括发电单元(1)；
2.根据权利要求1所述的模拟铁路桥梁的摩擦纳米发电组件的试验平台，其特征在于：移动振子部(4)包括依次设置的振动支持部(6)、振动泡棉层(7)、振动铜板层(8)及振动聚四氟乙烯层(9)；
3.根据权利要求2所述的模拟铁路桥梁的摩擦纳米发电组件的试验平台，其特征在于：发电单元(1)配套有振动激励部(15)；振动激励部(15)用于产生振动，使得振动弹簧部(3)做靠近或远离移动振子部(4)的运动。
4.根据权利要求3所述的模拟铁路桥梁的摩擦纳米发电组件的试验平台，其特征在于：振动支持部(6)具有作为延长部的激励输入部(14)；
5.根据权利要求4所述的模拟铁路桥梁的摩擦纳米发电组件的试验平台，其特征在于：撞击头(20)具有电磁性，当伸缩活塞杆(19)下行时，电磁性通电，当伸缩活塞杆(19)复位时，断电消磁；
6.一种模拟铁路桥梁的摩擦纳米发电组件的测试方法，其特征在于：包括以下步骤，
7.根据权利要求6所述的模拟铁路桥梁的摩擦纳米发电组件的测试方法，其特征在于：其次，计算质量块m加速度的放大因子β发生变化，计算见公式(2)；
8.根据权利要求7所述的模拟铁路桥梁的摩擦纳米发电组件的测试方法，其特征在于：步骤二，分析cs-teng的输出性能，
9.一种铁路桥梁的摩擦纳米发电组件的试验方法，其特征在于：首先，安装权利要求1所述的试验平台到铁路桥梁的桥墩或铁轨之上并调试；然后，进行权利要求6所述的测试方法。
10.根据权利要求9所述铁路桥梁的摩擦纳米发电组件的试验方法，其特征在于：在调试试验平台时，通过固定调高层(13)调整间隙h，根据测试桥梁所的工况配套谐振振子(24)；
