《Nano Energy》：Off-Resonance Sensing Characteristics of Multimodal Triboelectric Nanogenerators in High-Speed Railway Bridge Environments
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•非共振TENG策略避免了共振引起的传感饱和。•分段刚度机制实现双模式传感与能量收集。•在真实高铁振动条件下验证了线性传感性能。•EMD–MSST以小于0.09 Hz的误差重建桥梁频率。•共振模式输出88.2 mW m?2，并在20,000次循环内保持稳定输出。引言精确实时测
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非共振TENG策略避免了共振引起的传感饱和。
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分段刚度机制实现双模式传感与能量收集。
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在真实高铁振动条件下验证了线性传感性能。
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EMD–MSST以小于0.09 Hz的误差重建桥梁频率。
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共振模式输出88.2 mW m?2，并在20,000次循环内保持稳定输出。
引言
精确实时测量交通基础设施的动态响应对于可靠的结构健康监测（SHM）至关重要[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。然而，传统桥梁监测网络通常依赖有线电源或电池，由于其有限的服务寿命和反复维护需求，限制了在恶劣环境中的长期部署[6]。这些约束增加了生命周期成本，并可能造成额外的环境负担。摩擦纳米发电机（TENG）将机械能收集与自供电传感相结合[7]、[8]、[9]，为智能交通系统的自主传感节点提供了有前景的途径。其结构适应性、宽材料兼容性和对低频机械激励的敏感性使其在分布式基础设施监测和交通物联网（IoT）应用中尤其具有吸引力[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。
大量研究聚焦于提高TENG的振动能量收集和传感性能[19]、[20]。在能量收集方面，常见的优化策略包括表面微结构[21]、[22]、电荷注入[23]、[24]、抑制空气击穿[25]、[26]以及引入高介电常数材料[27]、[28]。这些方法通过促进电荷产生与转移、减少电荷损失或增强静电感应来提高电气输出。代表性进展包括结合电荷激发、界面绝缘和材料筛选以提高输出能量密度[29]。其他策略调节电荷转移速率和转移电荷量[30]，或利用类晶体管架构中的相反电荷增强效应[31]。电晕充电驻极体薄膜提供了实现比传统接触起电薄膜更高有效表面电荷密度的另一途径[32]。
在能量收集进展的同时，基于TENG的自供电振动传感也从单个传感器发展到集成结构监测系统。接触式自由-standing TENG实现了振动幅值的定量测量[33]，而摩擦电加速度计则将低频振动转换为电信号用于加速度监测[34]。系统级集成随后实现了动态位移监测并带报警传输[35]，以及利用双模式交/直流输出实现连续实时振动测量[36]。通过将电学响应与结构加速度关联，基于物理的传感模型进一步实现了定量振动表征[37]。与智能阻尼器集成的混合摩擦电-电磁装置也展示了原位监测缆索振动的能力[38]。总体而言，这些研究确立了TENG在自主结构振动监测方面的潜力，尽管其在复杂现场条件下的可靠性仍缺乏充分验证。
然而，在共振工作状态下，摩擦层的振幅振荡容易引发机械接触饱和，引入非线性接触动力学，从而逐步削弱电气输出与激励幅度之间的线性对应关系。因此，传感分辨率和有效测量范围在目标频段内都会恶化。此外，当前关于TENG振动传感的研究主要依赖实验室条件下的理想化谐波激励，在真实工程环境中的验证有限。因此，这些器件在实际工作条件下的传感可靠性和环境适应性在很大程度上仍未被探索。在高铁桥梁中，振动响应与理想谐波输入存在本质差异，由列车荷载与桥梁固有结构振动之间的动态相互作用产生的非平稳随机信号组成[39]。由此产生的宽带、非线性、噪声主导的振动环境极大地增加了精确信号转导和特征提取的复杂性，对基于TENG的传感系统的实际部署提出了严峻挑战。
为解决上述局限性，本研究开发了一种具有分段线性刚度机制的双边限摩擦纳米发电机（B-TENG），并提出了一种针对高铁桥梁监测的非共振传感策略。首先利用干涉雷达进行现场测量，识别主要桥梁响应，包括列车引起的强迫振动和一阶竖向固有频率。在这些现场动态特性的指导下，优化结构参数以调谐B-TENG的主共振，使共振频率偏离主导桥梁激励频率。本研究的创新之处在于用刻意失谐的非接触自由-standing传感模式取代传统共振依赖传感。在工作激励下，避免了共振机械接触，从而抑制接触饱和并在目标监测范围内保持线性电学响应。该非共振传感策略支持非平稳桥梁振动的定量重建，同时不降低器件的共振能量收集能力。在能量收集模式下，双边分段线性刚度机制用于拓宽共振附近的工作带宽。传感性能在受控谐波激励和实验室中复现的现场桥梁振动下进行评估。此外，整合经验模态分解（EMD）和多重同步压缩变换（MSST），以从非平稳电学响应中解析多个成分。由此建立了一个结合现场频率失谐、双模式器件工作以及高分辨率时频分析的集成框架，用于自供电桥梁振动监测与能量收集。
章节摘要
桥梁动力学的现场测量分析
精确表征桥梁振动环境对于设计在真实服役条件下可靠工作的TENG至关重要。为确定目标激励特性，采用干涉雷达系统（IBIS-FS，IDS；图1a）对一座32 m简支高铁桥梁进行了现场测量。该雷达从斜视和竖直观测几何监测桥梁的动态响应，实现了对桥梁振动的非接触测量。
结论
本研究开发了一种具有分段线性刚度机制的双边限摩擦纳米发电机（B-TENG），以应对高铁桥梁复杂非平稳激励条件下的振动传感和能量收集挑战。通过将非共振传感策略与共振能量收集相结合，所提出的框架在单一器件内解耦了传感保真度和能量转换的相互冲突的需求。
实验结果表明
B-TENG的制备
B-TENG使用SOLIDWORKS设计，并通过熔融沉积成型（FDM）技术以聚对苯二甲酸乙二醇酯（PETG）材料制备。详细的器件结构见图S3。四根铝导向杆（直径：8 mm；长度：130 mm）用于连接上下框架并约束中央振荡器的竖向运动。每个摩擦电单元由一块120 mm × 120 mm × 3 mm的基板支撑摩擦层组成。插入一层5 mm厚的海绵
CRediT作者贡献声明
蔡元：撰写–初稿、可视化、方法学、调查、概念化。邓洪城：可视化、调查。况扬：监督指导。舒真如：撰写–审阅与编辑、监督指导、经费获取。曾一璋：调查。冯文杰：调查。冯文海：调查。何旭辉：监督指导。
利益冲突声明
作者声明他们没有可能影响本文研究、作者身份和/或发表的任何竞争财务利益或个人关系。
致谢
感谢香港城市大学李秋生教授在现地测量中分享关键设备。本研究得到了湖南省教育厅基金（项目编号：24A0010）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为影响了本文所报道的工作。
蔡元于2020年获得华东理工大学学士学位，2023年获得广州大学硕士学位。目前在中国长沙中南大学土木工程学院桥梁工程系攻读博士学位。其研究兴趣集中在桥梁结构健康监测以及高铁桥梁基于振动的能量收集和传感技术。
蔡元|邓洪城|况扬|曾一璋|冯文杰|冯文海|何旭辉|舒真如
