本发明涉及一种基于折纸结构的复合式传感器与能量收集装置，具体涉及一种采用kersling折纸结构设计的摩擦电-电磁复合式传感器与能量收集装置，可以面向不同应用场景发挥传感功能，也可以将机械能转化为电能进行能量收集，属于传感器。
背景技术：
1、随着科技的发展，基于摩擦纳米发电机和电磁发电机原理打造的传感器和能量收集器件在各种应用领域中得到广泛关注和研究。这些器件可以应用于环境监测、医疗器械、工业自动化等方面。然而，传统的单一传感器模块在多功能性和能量转换效率上存在一定的局限性，无法满足复杂环境中的高效应用需求。因此，设计一种能够结合摩擦电和电磁传感功能的复合式传感器装置，可以应该不同的场景各模块单独工作或复合式工作，以增加传感准确性。结合摩擦电传感器的高电压特性与电磁传感器的高电流特性，两种传感机制的结合也会提高器件的能量收集能力。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中的上述问题，本发明提供了一种基于kersling折纸结构的摩擦电-电磁复合式传感能量收集装置。该装置能够同时实现摩擦电和电磁传感功能，并且可以进行能量收集，提高了装置的多功能性和实用性。
2、本发明的技术方案如下：
3、一种基于折纸结构的摩擦电-电磁复合式传感能量收集装置，包括上支撑板、小号线圈、中间支撑板、扇形磁铁、圆柱形磁铁、折纸结构、大号线圈和下支撑板形成的三块传感发电模块，分别为上部的旋转式电磁传感器模块、中间的摩擦电传感器模块和下部的垂直式电磁传感器模块；其中，所述的上支撑板和中间支撑板预设有开槽结构，若干小号线圈串联在所述上支撑件的开槽中，与之相对应的若干扇形磁铁按圆形阵列镶嵌在中间支撑件的上表面的开槽中；上支撑板和中间支撑板之间用轴承联接，使两支撑板在旋转过程中保有空隙以保证互不干扰；所述的中间支撑板与折纸结构固定连接，当垂直外力作用在上支撑板上压缩整个结构时，折纸结构发生扭转变形带动中间支撑板转动，进而带动扇形磁铁转动，此时通过小号线圈的磁通量会发生变化，进而产生相应的感应电流；所述的下支撑板预设有开槽结构，以放置大号线圈，与之对应的圆柱形磁铁被镶嵌在中间支撑件的背部。
4、进一步地，所述的扇形磁铁为4个，为钕铁硼磁铁，并特意设置为扇形，圆心角为60°，外弧半径46mm，内弧半径10mm，高度3mm。
5、进一步地，所述小号线圈为4个，为铜线圈，线径为0.2mm，外径30mm，内径6mm，匝数250圈。
6、进一步地，所述折纸结构的两两对应面上分别布置有摩擦电正极材料和摩擦电负极材料，当折纸结构发生连续扭转变形，两种材料会互相接触分离，两种材料表面电荷发生变化，进而在外电路中产生电流。
7、进一步地，所述折纸结构为tpu柔性材料，并使用3d打印机打印制造，采用层堆叠模式将单层tpu基kersling折纸结构堆叠为三层，所述的摩擦电正极材料为镍布，摩擦电极材料为硅橡胶ecoflex 00-30,并使用3000目数的砂纸进行微结构表面处理，以提升其输出性能。
8、进一步地，所述圆柱形磁铁布置在中间支撑件的下表面，圆柱形磁铁在外力的作用下跟随中间支撑件上下移动，在靠近和远离大号线圈的过程中线圈中的磁通量分布发生变化，并产生感应电流，其中，所述圆柱形磁铁为钕铁硼磁铁，直径25mm，高度20mm，所述大号线圈为铜线圈，线径为0.2mm，外径50mm，内径11mm，匝数300圈。
9、进一步地，所述下支撑板采用pla材料经3d打印制造而成。
10、本发明通过采用kersling折纸结构设计，实现了摩擦电和电磁传感功能的有机结合，具有以下优势特点：
11、1.本发明主要架构采用3d打印方法进行制造，主要材料为pla和tpu，制作过程简单、耗材少、成本低。
12、2.本发明选用tpu材料复现折纸结构，tpu是一种具有高度弹性和优异耐磨性的材料，相比纸张具有更高的强度，适合需要经常弯曲和扭转的应用场景。
13、3.本发明采用kersling折纸结构，相比于普通的折纸结构，大大增加的同等体积下的摩擦表面接触面积，使摩擦电传感器拥有更高的功率密度。采用层堆叠模式将单层tpu基kersling折纸结构堆叠为三层，在保证其较高的结构稳定性和变形灵活性的同时提高其输出性能。
14、4.本发明选择摩擦电和电磁两种能量转换机制，相比单一机制具有更高的能量转化效率和能力。同时，两种模态在应用传感场景时相比单一模态具有更加丰富的传感信息，带来更高的传感准确度。
15、基于本发明制造的传感设备具有以下有益效果：
16、1.高灵敏度和多功能性：本发明利用折纸结构的扭转变形特性，结合摩擦电和电磁传感功能，提高了传感器的灵敏度和多功能性。
17、2.结构简单、易于制造和组装：本发明的装置结构简单，易于制造和组装，降低了生产成本，具有广泛的应用前景。
18、3.能量收集功能：本发明不仅可以用于传感应用，还可以通过整流电路将感应电流转换为直流电，实现能量收集，提高了装置的实用性。
19、4.可扩展性强：本发明的设计思路和制造方法可以根据具体需求进行扩展和优化，适用于不同领域的传感和能量收集应用。
1.一种基于折纸结构的摩擦电-电磁复合式传感能量收集装置，其特征在于，包括上支撑板(1)、小号线圈(2)、中间支撑板(3)、扇形磁铁(4)、圆柱形磁铁(5)、折纸结构(6)、大号线圈(9)和下支撑板(10)形成的三块传感发电模块，分别为上部的旋转式电磁传感器模块、中间的摩擦电传感器模块和下部的垂直式电磁传感器模块；其中，所述的上支撑板(1)和中间支撑板(3)预设有开槽结构，若干小号线圈(2)串联在所述上支撑件(1)的开槽中，与之相对应的若干扇形磁铁(4)按圆形阵列镶嵌在中间支撑件(3)的上表面的开槽中；上支撑板(1)和中间支撑板(3)之间用轴承联接，使两支撑板在旋转过程中保有空隙以保证互不干扰；
2.根据权利要求1所述的摩擦电-电磁复合式传感能量收集装置，其特征在于，所述的扇形磁铁(4)为4个，为钕铁硼磁铁，并特意设置为扇形，圆心角为60°，外弧半径46mm，内弧半径10mm，高度3mm。
3.根据权利要求1所述的摩擦电-电磁复合式传感能量收集装置，其特征在于，所述小号线圈(2)为4个，为铜线圈，线径为0.2mm，外径30mm，内径6mm，匝数250圈。
4.根据权利要求1所述的摩擦电-电磁复合式传感能量收集装置，其特征在于，所述折纸结构(6)的两两对应面上分别布置有摩擦电正极材料(7)和摩擦电负极材料(8)，当折纸结构(6)发生连续扭转变形，两种材料会互相接触分离，两种材料表面电荷发生变化，进而在外电路中产生电流。
5.根据权利要求1所述的摩擦电-电磁复合式传感能量收集装置，其特征在于，所述折纸结构(6)为tpu柔性材料，并使用3d打印机打印制造，采用层堆叠模式将单层tpu基kersling折纸结构堆叠为三层，所述的摩擦电正极材料(7)为镍布，摩擦电极材料(8)为硅橡胶ecoflex 00-30,并使用3000目数的砂纸进行微结构表面处理，以提升其输出性能。
6.根据权利要求1所述的摩擦电-电磁复合式传感能量收集装置，其特征在于，所述圆柱形磁铁(5)布置在中间支撑件(3)的下表面，圆柱形磁铁(5)在外力的作用下跟随中间支撑件(3)上下移动，在靠近和远离大号线圈(9)的过程中线圈中的磁通量分布发生变化，并产生感应电流，其中，所述圆柱形磁铁(5)为钕铁硼磁铁，直径25mm，高度20mm，所述大号线圈(9)为铜线圈，线径为0.2mm，外径50mm，内径11mm，匝数300圈。
7.根据权利要求1所述的摩擦电-电磁复合式传感能量收集装置，其特征在于，所述下支撑板(10)采用pla材料经3d打印制造而成。
