随着物联网的快速发展,大量的独立移动式传感器正替代传统有限的离散式传感器,应用到物联网中进行智能监控,通过收集分散的传感信号并加以统计分析,从而得到精确可靠的传感信息。然而,对于连续工作的传感器来说,供电问题阻碍了其在物联网中的应用发展。如何解决这一供电问题成为物联网发展的关键所在。摩擦纳米发电机是通过材料摩擦起电效应将环境中各种机械能转化为电能的装置,具有成本低廉、制作简便、环保无污染和可持续等优点,其诞生为传感器的供电问题提供了解决方案。大量基于摩擦纳发电机的自驱动传感系统被发明出来,其中自驱动气体传感作为其中最重要的一种传感技术,在环境监测、军事、医疗和工业等领域有巨大的应用前景。现有的基于摩擦纳发电机的自驱动气体传感系统主要是将摩擦生电材料同时作为气体传感材料,通过摩擦生电材料在被测气体中的直接发电输出效率来检测气体,这在实际应用中存在以下问题:摩擦纳米发电机的输出很容易受外界环境的影响,如温度、湿度、运动频率和幅度等,并干扰传感信号,导致其选择性、稳定性以及可靠性较差;摩擦起电材料又必须作为气体传感材料,限制了材料的选择范围;该系统仍需要外部监测电路收集摩擦纳米发电机产生的信号,这意味着它并不是真正意义上的自驱动传感系统。针对上述问题,本文提出了一种新型的基于摩擦纳米发电机的气体传感系统,它是将气体传感器直接与摩擦纳米发电机串联,两者独立工作,互不干扰,提高了系统的稳定性和可靠性。利用摩擦纳米发电机与负载电阻的输出特性,当气体传感器的电阻变化时,摩擦纳米发电机的输出相应发生变化,同时发光二极管作为报警器并联在摩擦纳米发电机两端实时反映气体传感情况。论文主要包括三个工作,主要研究结果如下:(1)分别采用垂直接触-分离式和旋转独立层式的摩擦纳米发电机与可变外接电阻串联,探究了在不同外阻下摩擦纳米发电机的输出特性及其输出原理,根据电阻变化的不同标记三个典型工作区域,研究了摩擦纳米发电机与外接电阻的匹配效应,当外接电阻处在KΩ时,输出电压趋于0(工作区域Ⅰ),当电阻处在KΩ至MΩ时(工作区域Ⅱ),输出电压随着外阻的增加而增加,当外接电阻处在GΩ时(工作区域Ⅲ),输出电压达到最大;将电阻式的气体传感器替换外接电阻串联在摩擦纳米发电机两端,便构成了一套自驱动气体传感系统;当气体传感器电阻的变化区域处于摩擦纳米发电机工作区域Ⅱ时,摩擦纳米发电机输出电压有明显的变化,结果反映在与摩擦纳米发电机并联的发光二极管工作状态上。(2)选用垂直接触-分离式摩擦纳米发电机收集振动能量,将一个基于WO3纳米棒的NO2电阻式传感器与摩擦纳米发电机串联作为气体检测装置,同时商用发光二极管与之并联作为警报器;在实验室中,我们用激振器模拟外界振动能量驱使摩擦纳米发电机工作,它不仅给气体传感器提供电能,而且摩擦纳米发电机的输出电压会随着气体传感器的工作状态而变化,接着会直接反映到发光二极管的工作状态上。当通入100 ppm NO2气体时,气体传感器电阻从68 KΩ增大至10MΩ,响应时间为121 s,摩擦纳米发电机电压增大到28 V,完全可以使三个串联的发光二极管工作,发出警报;最后根据上述原理,收集了汽车发动机振动能量,构建了基于摩擦发电的自驱动汽车尾气测试系统,可实现汽车尾气的自驱动实时监测。(3)采用旋转独立层式摩擦纳米发电机与基于Pd修饰Zn O纳米棒的氢气电阻式传感器串联的方法,同时商用发光二极管与之并联作为警报器,自驱动检测氢气的泄露状况;为了使氢气传感器的变化电阻与摩擦纳米发电机的工作区域Ⅱ匹配,我们将原先12个叉指电极增加至120个,改变了摩擦纳米发电机的内阻,从而改变三个工作区域的分布;当通入1000 ppm H2时,传感器电阻变化范围从300 KΩ降到60 KΩ,输出电压从原先的35 V降到8 V,并联在摩擦纳米发电机两端十个发光二极管从亮变为不亮作为报警显示装置;由此,收集汽车行进中产生的风能,构建了一套自驱动H2传感系统用于氢能源汽车H2泄露的检测。