随着智能交通系统的快速发展，车辆运动状态的实时监测变得尤为重要。传统的车辆运动状态监测方法通常依赖于多个传感器的协同工作，这不仅增加了系统的成本，还增加了传感器布线和安装的复杂性。这无疑对现有的车辆设计和维护过程提出了更高的技术要求和挑战。摩擦电纳米发电机（TENG）的出现为解决这些问题提供了新的可能。基于该技术，研究人员设计了一系列不同结构的自供电车辆运动状态监测传感器。然而，现有的TENG设计大多侧重于实现单一功能，难以满足车辆多种运动状态的监测需求。因此，开发一种多功能、集成化的车辆运动传感器具有重要意义。

在此，我们提出了一种基于摩擦纳米发电机的集成化磁辅助式自供电车辆运动传感器（MSVMS），用于实时监测车辆运动状态，包括加速度、角速度和倾角。通过引入磁斥力调节系统，使传感器能够实现自动复位，并有效监测车辆在常规行驶过程中的运动状态。实验验证了MSVMS的发电性能，在最佳负载电阻为1 kΩ的条件下，MSVMS可以捕获4.5 mW的峰值功率，这为满足加速度信息实时显示的功率需求提供了潜在解决方案。同时，TENG单元对加速度、角速度和倾角表现出良好的传感性能，拟合系数分别为0.99、0.979和0.978。最后，在车辆运动传感系统和实际车辆测试场景中验证了MSVMS在监测加速度大小和方向上的可行性。本工作进一步验证了MSVMS在智能交通系统中的潜在应用前景。

图1磁辅助式自供电车辆运动传感器（MSVMS）的设计与应用。（a）MSVMS在车辆上的应用，（b）MSVMS的内部细节图，（c）所设计的MSVMS的照片，（d）零件结构照片，（e）电极细节照片。

图2 MSVMS的工作原理及仿真结果。（a）TENG传感单元工作原理示意图，（b）EMG单元的磁场仿真结果，（c）中心磁体不同位置的静电势分布。

图3 EMG单元的电学特性。（a）EMG单元内部结构分层示意图，（b）EMG单元中能量收集和传感部分的详细布局，（c）磁铁在不同位置处EMG线圈的磁通密度图，（d，e）EMG单元在5 Hz直线运动激励下的开路电压和短路电流的输出波形图，（f）EMG单元开路电压对输入频率的依赖性，（g）不同电容的充电电压随时间的变化曲线，（h）不同负载电阻下的电压和电流曲线，（i）不同负载电阻下EMG单元的峰值输出功率曲线。

图4 MSVMS线性加速度测量的工作原理。（a）加速度与响应时间的关系，（b）变加速度下传感器的开路电压曲线，（c）环形电极在1.8 g加速度下产生的开路电压曲线，（d）加速度为20 m/s²时传感器在不同方向上运动时监测到的加速度，（e-h）八个线性运动的方向图和四个电弧电极的电压波形图。

图5MSVMS角速度和倾角测量的工作原理。（a，b）四个电弧电极在顺时针和逆时针旋转运动激励下的MSVMS开路电压波形，（c）角速度与频率的关系，（d）MSVMS沿Y轴的倾角示意图和四个电弧电极的电压波形图，（e）MSVMS沿X轴的倾角示意图和四个电弧电极的电压波形图，（f）不同倾角下MSVMS的开路电压，（g）MSVMS倾角与开路电压的关系。

图6 MSVMS在车辆上的应用。（a）车辆运动传感系统的工作原理图和实车测试场景，（b）MSVMS后端集成车辆运动传感系统的电路设计框图，（c）单片机后端电路实物图，（d）电容充放电的电压曲线，（e）实时监测车辆加速度的实车测试场景，（f）车辆实时加速度监测曲线及结果。

程廷海，研究员、博士生导师，现为中国科学院北京纳米能源与系统研究所智能结构与系统实验室负责人。主要开展微纳能源收集与利用、自驱动传感与系统和精密压电驱动与控制方面的研究，提出了系列机械模式摩擦纳米发电机的设计思想，研制开发出多种原理与类型的摩擦电式机械运动传感器，取得了一些国内外较有代表性的研究成果，积极推进摩擦纳米发电机在工业领域特别是机械行业的应用与发展。在Nature Reviews Methods Primers、Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、MaterialsToday等国际杂志上发表较高水平学术论文150余篇，主持科研项目20余项。

Lu X, Wang C, Li H, et al. Magnetic-assisted self-powered vehicle motion sensor based on triboelectric nanogenerator for real-time monitoring of vehicle motion states. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907015.