零状态与零输入协同的全响应摩擦纳米发电机建模与传感框架：实现精确放电控制与多样化波形生成

本研究针对摩擦纳米发电机(TENG)在传感应用中输出模式不清晰、放电行为定量化框架缺失的问题，开发了融合零输入响应(ZIR)与零状态响应(ZSR)的全响应分析模型。通过双开关设计实现放电间隔精确控制，建立了包含特征常数的通用匹配原则，在运动状态检测(R>0.995)和电容测量(线性度0.999)中展现出卓越性能，为智能系统中的静电感应传感技术提供了理论框架。

　　

在物联网技术蓬勃发展的今天，摩擦纳米发电机(TENG)作为新兴的能量收集技术，在机械能采集领域展现出惊人潜力。然而，当研究者们将目光投向更精密的传感应用时，发现现有理论模型存在明显局限——过度聚焦功率输出优化，却忽视了放电行为在传感应用中的潜力。更关键的是，动态过程定量化框架的缺失，严重制约了该技术在实际传感中的应用。这些问题如同"看不见的天花板"，限制了TENG在健康监测、可穿戴设备等领域的深度发展。

上海交通大学机械工程学院的研究团队在《Device》发表的研究，通过系统分析TENG放电过程，建立了融合零输入响应(ZIR)和零状态响应(ZSR)的全响应模型。该研究创新性地采用双开关设计实现放电间隔精确控制，成功提取出包含时空特征的特征常数，揭示了系统构型与放电动力学之间的内在联系。这项研究不仅为TENG输出提供了清晰可控的模式，更建立了静电感应传感的基础框架。

研究主要采用旋转式TENG(R-TENG)结构，通过碰撞电极与导电簧片构成限位开关，结合电压分压电路进行信号采集。关键技术创新包括：1)单/双开关控制模式的对比实验；2)对数处理与线性拟合分析电压输出特性；3)可调平行板电容器验证系统响应；4)基于DAQ的数据采集系统验证电路无关设计。

研究结果部分，"TENG的ZIR和ZSR"章节通过建立电路模型，首次完整描述了开关基TENG的输出表达式。实验证明传统认知中仅考虑ZIR的观点是不完整的，系统的实际响应是ZSR和ZIR的共同作用结果。

"解析解与单开关控制模式"部分展示了旋转TENG在四个工作阶段的输出特性：脉冲阶段、衰减阶段、偏移阶段和释放阶段。通过对数变换线性化特征曲线，验证了放电区间内电容恒定的假设(Pearson相关系数0.999)。

"双开关控制模式"章节提出的优化模式通过增加复位电极，形成两个放电区间。这种设计使得初始电荷Q₀不再受外部条件(速度、电阻、电容)影响，实现了输出电压的定量控制。实验数据显示，该模式能产生包括类方波在内的多种波形。

"放电过程的特征与指示"部分提取了输出电压波形的三维特征：初始电压U₀、直流偏移电压U_t和时间常数τ。研究创造性地引入放电特征常数γ=vCR/S，揭示了当保持速度、电容和电阻乘积不变时，波形形状保持一致的规律。

在应用验证方面，"运动状态监测"展示了该模型对匀速运动(线性相关系数0.998)和匀加速运动的精确监测能力。"电容检测的电路无关设计"则实现了10V范围内直接DAQ采集，三组测量区间的线性相关系数均超过0.999。

这项研究的突破性在于建立了首个完整描述TENG放电过程的理论框架，通过特征常数γ实现了动态过程的定量描述。双开关设计不仅解决了传统单开关模式初始条件不稳定的问题，更开创了无需复杂电路即可实现精确传感的新范式。特别值得注意的是，研究揭示的TENG高电压源于极小电容、低电流由转移电荷变化率决定的本质特征，为后续优化设计提供了明确方向。该框架在工业实时监控、环境监测等领域的应用前景广阔，标志着TENG技术从定性分析向定量控制的重大跨越。