摩擦纳米发电机基于摩擦生电和静电感应原理,可将环境中的机械能转变为电能,实现环境中机械能量的收集及传感功能。其中,单电极式摩擦纳米发电机具有单端输出,可在被测物体无导线连接情况下实现对它的接触测量等优点,适合用作冲击载荷传感器。但单电极式传感器受环境影响较大,电信号输出不稳定,一般仅可判断是否受到冲击载荷。若要实现更精确的信息感知,需要结合多个传感器的输出信号综合分析,这会极大增加后续信号采集与处理中的资源消耗。本文通过在单电极式摩擦电传感器的感应电极上增加带有阶梯圆柱阵列的摩擦层,实现了传感器在保持单端输出下对轻、重冲击区分的功能。以矮层圆柱阵列与感应电极产生接触摩擦时力的大小作为力转折标志点,当冲击载荷大于该转折点时,传感器的输出波形含有两个尖锐电压正峰,可与受到小于该转折点的轻冲击时传感器仅存在一个尖锐正峰的电信号输出明显区分。首先,设计了阶梯圆柱阵列传感器,通过二次光刻和激光切割的方法分别实现了不同尺度阶梯阵列传感器的制备。阐明该传感器可以实现轻、重冲击载荷区分的工作原理,验证传感器的工作稳定性、可靠性及耐疲劳特性。其次,利用Comsol仿真软件构建了阶梯圆柱阵列传感器的二维稳态静电模型,分析传感器的结构与带电量对感应电极电荷转移量的影响。仿真结果表明:在电极上增加带电摩擦层对传感器输出无不利影响;可通过增加感应电极的内部边界提高微小介电体阵列的总输出;阶梯圆柱阵列传感器加载过程中感应电极电荷量发生转折,且转移电荷量可由矮层圆柱面积调节。最后,对阶梯圆柱阵列传感器的静力学特性与冲击载荷下的电输出特性进行试验分析。确定传感器的力区分点可通过调配摩擦层柔性、改变高圆柱总截面积调节;增加矮圆柱阵列总端面积可提高传感器的载荷区分辨识度;传感器的输出稳定性与摩擦层柔性和高圆柱数目相关。本文研究的阶梯圆柱阵列传感器拓展了单电极式摩擦电传感器的应用范围,可由传感波形实现对轻、重冲击载荷的区分,为物体分拣提出新方案。