基于压电振动能采集器的无线频率检测节点

振动频率检测在旋转机械运行状态监测和大型建筑物结构健康监测等领域具有重要应用,为了实现振动频率检测节点的自供能,该文设计了基于压电振动能采集器的无线振动频率检测节点,该节点由两个压电振动能采集器、电源管理电路和无线测频电路组成。利用LTC3588-1和LT3009芯片组成的电源管理电路,将采集器一输出的交流电压整流稳压转换为直流电压为节点供电,采用低功耗微控制器MSP430F149对采集器二的输出电压进行处理得到环境振动频率,进一步利用无线收发芯片nRF24L01实现信号的发送。振动台实验表明,在加速度幅值为1 g(g=9.8m/s2),振动频率为53Hz时,该节点可每隔120s无线发送环境的振动频率。     

一种悬臂梁式MSMA振动能量采集器研究

振动能量在自然界中广泛存在,利用智能材料收集振动能量为微电子系统供电是新能源领域的发展趋势。该文利用新型智能材料磁控形状记忆合金（MSMA）的逆效应研究设计了一种基于悬臂梁式的MSMA振动能量采集器,对采集器的各部分结构进行理论分析和系统设计,并建立了振动能量采集器的结构模型。利用ANSYS软件对磁场进行有限元分析,验证了磁场回路和磁感应强度满足采集振动能量的要求。在此基础上,研制了采集器样机,并通过搭建实验平台对采集器进行实验测试,结果表明,该悬臂梁式MSMA振动能量采集器具有较宽的振动能量采集频带,输出电压可达220 mV,为振动能量的收集利用提供了参考依据。     

振动能量采集器能量管理电路的研究

研究了一种抗磁悬浮式振动能量采集器,首先结合理论对抗磁悬浮振动采集器的工作原理进行了详细讨论,之后提出了适用于本结构的6倍压整流电路并对其进行仿真优化,最后利用振动台测试其在5 Hz、0.5 gn的激励条件下的输出特性,6倍压电路输出能够点亮LED灯,当充电时间为20 s时,输出电压可达1.7 V。该抗磁悬浮式振动能量采集器有望给便携式微型电子供电。     

MSMA振动能量采集器的设计与实现

采用智能材料磁控形状记忆合金(MSMA)将机械振动能量转换成电能为无线电子设备供电已备受关注。该文利用MSMA的维拉利效应(逆磁致伸缩效应)分析了MSMA振动能量采集器工作原理,计算并确定了振动能量采集系统的磁轭、线圈、保护系统、固定装置的尺寸和性能参数。利用ANSYS软件对系统进行了仿真,验证了各部分结构参数和材料选型的正确性。在此基础上,设计制作了MSMA振动能量采集器样机,搭建了MSMA振动能量采集器实验平台,进行了振动力激振实验,得到了在不同输入频率和应力大小条件下感应电压的输出曲线,实验和仿真结果表明,利用MSMA材料可将机械振动能量转化为电能,为振动能量收集利用提供了参考依据。     

带异形孔的双稳态压电能量采集器研究

针对传统线性压电悬臂梁能量采集器共振频率高、偏离共振频率时输出电压快速下降的问题,该文设计了一种悬臂梁基板上带异形孔的新型双稳态能量采集器。建立该能量采集器的理论模型,并制作了实验样机,研究了该能量采集器在外界不同正弦激振频率下,磁间距对其输出电压和工作频带的影响。结果表明,随着磁极对间距减小,带异形孔结构的双稳态能量采集器的双稳态效应先增强再减弱,由此确定最佳磁极对间距为12 mm,谐振频率为18 Hz,最大输出均方根电压达到12.01 V,采集器有效工作频率为15.5～22.5 Hz,工作带宽达到7 Hz,带异形孔的双稳态能量采集器具有更宽的采集频带,在低频振动环境下具有更高的输出电压响应。     

用于能量收集器的不锈钢基PZT厚膜制备研究

采用了溶胶 凝胶技术在不锈钢基体上制备了厚为10 μm、结构致密的锆钛酸铅(PZT)厚膜。研究了不同退火条件对厚膜结晶状况的影响,X射线衍射分析表明,采用700 ℃退火处理20 min后得到了PZT厚膜的纯钙钛矿相结构。厚膜的电学性能测试结果显示,厚膜的剩余极化强度（Pr）为7.5 μC/cm2, 矫顽场强（Ec）为7.2 V/μm,压电常数（d33）为73 pC/N。设计制作了长20 mm、宽4 mm的压电悬臂梁结构振动能量收集器。输出性能测试结果显示,振动频率为95 Hz,采集器输出电压最高,输出电压值为862 mV。     

基于压电材料的振动能量收集器的谐振频率调节

振动能量收集器的最大输出电压发生在共振状态,因此其谐振频率应与环境振动频率一致.针对振动能量收集器与环境频率不匹配的问题,采用单自由度模型分析了悬臂梁-质量块结构的振动能量收集器谐振频率等性能,加工并测试了压电式的微型振动能量收集器样机,结果谐振频率的误差最大为6％.通过质量调节方法进一步将样机的谐振频率调节了10.5 Hz的宽度.针对50 Hz的振动环境,将谐振频率为58.7 Hz的样机调节到了50.4 Hz,输出电压提高了4倍.     

多向振动俘能器设计及能量收集实验研究

针对线性、单一的振动能量俘能器存在工作频带狭窄、只能采集单向振动等问题,该文提出了一种适应货运列车等多向振动应用场景的新型多向振动俘能装置,以增强对环境中振动能量的俘获。该装置结合压电和电磁俘能器,通过螺旋圆柱弹簧和顶端质量有效捕获多向振动,并通过磁力传递振动能量至压电梁。合理设计了弹簧-质量结构,使其在较低的频率范围内可实现多种振动模态,拓宽了俘能器的谐振频带。为了充分利用压电材料,采用了变宽度压电悬臂梁,使应力均匀分布。压电梁自由端的永磁体随着压电梁的振动而产生变化的磁场,在线圈中产生感应电压。通过有限元分析和实验测试,验证了复合式俘能器可以采集多向振动能量,并测试了在z向振动激励下压电、电磁及复合式俘能器的最大输出功率。在频率9.5 Hz、z向振幅2 mm的正弦波激励下,复合式俘能器输出最大功率为3.276 mW。该系统在理论上可为低功耗传感器提供持续电力,为机械能收集与能量转换领域提供技术支持。     

悬臂梁双晶压电片不同连接方式发电性能

为了更加有效提高双压电振动能量采集器的发电效率,以双晶压电片为研究对象,设计了一种可收集电动机机械振动能量的双压电振动能量采集器。探究了电动机不同转速下,双晶压电片不同连接方式的内阻和发电特性;分析了电动机在不同转速下,双晶压电片不同连接方式时双压电振动能量采集器输出电压和输出功率的特性。理论计算与实验结果进行对比,选择一种最优的双晶压电片连接方式。     

一种可调频的压电式振动能量采集器

提出了一种利用外加磁力来调整压电振动能量采集器共振频率的新型设计方案。该振动能量采集器主要包括一个端部带有磁性质量块的聚偏二氟乙烯(PVDF)悬臂梁和一个与悬臂梁在同一个平面内且可以在二维方向自由移动的外永磁体。测试表明,在无外永磁体的情况下,该压电振动能量采集器的共振频率为65 Hz。引入外永磁体后,通过调整外永磁体的竖直位置可以改变振动能量采集器的共振频率。在外永磁体与磁性质量块之间的水平距离分别为5,10和15 mm时,共振频率的可调范围分别为18,9和3 Hz。如果令外永磁体的竖直位置为零,在与磁性质量块之间的水平距离从2.5 mm增加到20 mm的过程中,共振频率在51~110 Hz变化,可调范围达到59 Hz。     

自调谐全方向振动能量收集装置的设计及优化

为解决现有振动能量收集装置单方向收集及收集效率低等问题,该文设计了一种自调谐全方向振动能量收集装置,通过多场耦合方式改变装置的振动特性,提高能量转换效率。建立了装置横向和纵向振动模型,分析了横向和纵向振动的动力学特性。利用有限元分析对结构参数进行优化,得到结构参数与谐振频率的关系。最后,搭建实验平台。通过实验表明,能量收集装置的谐振频率随组合悬臂梁宽度和厚度的增大而增大,当选取组合悬臂梁宽10mm、厚1mm,外界激振力1.5N时,谐振频率为16.47Hz,峰值电压为9.67V,且在各个方向均能产生有效输出电压。     

分段非线性电磁振动能量采集器

为了解决无线传感网络需要频繁能量补给的难题,设计了一种分段非线性电磁振动能量采集器,利用磁悬浮系统与机械弹簧耦合而成的非线性系统来提高能量采集器对低频、宽带环境振动能的采集能力。利用搭建的实验测试平台,研究了磁弹簧弹性系数、初始间隙、机械弹簧弹性系数及激励加速度对输出性能的影响规律。实验结果表明,当初始间隙分别为3、5和8 mm时,相应的最大输出电压分别为0.78、0.74和0.73 V;当机械弹簧弹性系数分别为0.028、0.100和0.270 N/mm时,相应的最大输出电压分别为0.73、0.72和0.57 V,工作带宽分别为3、4和5 Hz;当加速度为0.3、0.4和0.5g时,最大输出电压分别为0.39、0.57和0.73 V,对应的最大输出功率分别为3.81、8.13和13.32 mW,系统的工作带宽分别为3、3.5和4 Hz。     

基于柔性铰链的FBG三维加速度传感器

针对振动测量中三维振动信号测量需要,基于柔性铰链设计了一种光纤光栅(FBG)三维加速度传感器。构建了传感器拾振机构的振动模型,介绍了传感器的结构模型和测量原理,推导了传感器谐振频率和灵敏度理论公式,建立了拾振机构的数学模型,并用MATLAB对传感器拾振机构关键尺寸参数进行优化设计。根据优化后尺寸制作了传感器,通过振动实验对其进行性能测试。实验结果表明:该传感器在X轴、Y轴和Z轴方向的谐振频率分别为673,667和1376 Hz,工作频率区间分别为0~220 Hz,0~220 Hz和0~450 Hz,灵敏度分别为72.3,70.2和83.1 pm/g。所设计的传感器具有较好的横向抗干扰能力,能够满足三维振动信号测量的要求。     

低频压电式MEMS振动能量采集器研究

设计了一种低频压电d31模式的"八悬臂梁-中心质量块"结构微机电系统(MEMS)振动能量采集器,实现环境振动能量向电能的转换。首先利用溶胶-凝胶工艺实现PZT压电薄膜的异质集成制造,单个锆钛酸铅(PZT)压电敏感单元的有效尺寸为935μm×160μm×1.5μm;然后通过MEMS加工工艺完成器件微结构的加工制造,器件结构有效体积为9.936×10~(-4)cm~3;最后借助振动测试系统对该器件的各项输出性能进行测试。测试结果表明,谐振频率为60Hz、加速度激励为1g(g=9.8m/s~2)时,该能量采集器的输出电压峰-峰值为232mV。在其两端加载3.0 MΩ的负载时最大输出功率为6×10~(-4)μW,输出功率密度为0.604μW/cm~3,PZT压电敏感单元有效面积下的输出功率密度为0.025μW/cm~2。     

弹性支撑切断式二自由度压电能量采集器研究

针对振动能量采集器对环境中振动能量响应频带较窄的问题,该文提出了一种弹性支承外部磁铁的非线性切断式二自由度压电能量采集器。该弹性支承保证了能量采集器处于双稳态中,实现了能量采集器的宽频带响应。建立了采集器的集中参数理论模型,并研究了不同频率的正弦外界激励下该能量采集器弹性支承外部磁铁与内梁自由端磁铁的间距值变化对采集器电压输出和采集频带的影响。仿真和实验结果表明,随着弹性支承的外部磁铁和内梁自由端磁铁的间距逐渐减小,采集器的均方根电压输出逐渐增大,其采集频带也相应被拓宽。当能量采集器的水平间距值从10 mm调整为5 mm时,该能量采集器一阶谐振频率的均方根电压增长了1.5倍,同时二阶谐振频带拓宽了2.25倍。     

基于抗磁悬浮的摩擦电式振动能量收集器

针对目前传统电池供电方式无法满足无线传感网络需要长期、持久工作的要求,提出了一种基于抗磁悬浮的摩擦电式振动能量收集器,通过将环境中广泛存在的能量转化为电能,实现对无线传感网络长期、稳定的供电。利用搭建的实验测试平台,研究了采集时间、激励加速度及负载电阻对输出性能的影响。实验结果表明,输出电压随着采集时间的增长出现先增大后趋于稳定的趋势;当激励加速度分别为0.2g、0.4g和0.6g时,最大输出电压分别为21.4、29.3和35.6 V,所对应的激励频率分别为19、25和28 Hz;当负载电阻约为1×10⁷Ω时,振动能量收集器的最大输出功率为123μW,与之相对应的输出电压为38 V。     

一种螺旋悬臂梁结构压电能量收集器

提出了一种螺旋悬臂梁结构的可植入式压电能量收集器,这种结构的能量收集器可为植入式医疗器件供电。螺旋结构的设计一方面可以使悬臂梁从多个方向的振动中吸收能量,另一方面还可以降低谐振频率。提出的悬臂梁整体结构厚度为40 μm,宽度为1 mm,整体外部大小为 9 mm×9 mm。该结构中,悬臂梁的末端附上质量块,进一步降低悬臂梁的谐振频率。该收集器的谐振频率为66 Hz,当施加的激励为1g加速度时,输出开路电压为2.2 V,输出功率为4.8 μW。     

线性三自由度低频压电振动能量采集器

基于线性多自由度振动的概念,提出并设计了一种线性三自由度(3DOF)振动能量采集器。该能量采集器包括一、二阶传动梁及传统单悬臂梁。数学建模及有限元仿真结果表明,多阶传动梁垂直相接构成的线性多自由度系统可有效调节并降低系统的工作频率。实验结果表明,线性三自由度能量采集器在0~100 Hz频率范围内,具有3个电压峰值,有效带宽15Hz,与理论分析相吻合。另外,与传统单悬臂梁能量采集器相比,工作频率降低,频带扩增275%。     

新型振动能量采集系统的设计与性能测试

利用磁控形状记忆合金(MSMA)逆效应设计了一种新型高效振动能量采集器,建立并分析了振动能量采集器的结构模型,对采集器的各部分结构进行了理论分析与计算。通过ANSYS仿真软件对所设计的采集器结构进行了有限元分析,验证了各部分结构参数和材料选型的正确性。在仿真的基础上,通过搭建实验平台,进行了MSMA振动能量采集器样机测试实验,改变输入应力频率和幅值,得到不同输入条件下感应电压的输出曲线。实验结果证明了利用MSMA材料将机械振动能转化为电能的可行性和有效性。     

一种基于故障监测的MEMS压电能量收集器

为了实现对轮船发动机故障监测系统的可持续供电,针对轮船发动机振动特性以及故障监测系统应用需求,设计了一种基于d31工作模式的微机电系统(MEMS)压电振动能量收集器。该能量收集器采用了共质量块压电悬臂梁阵列结构,与传统单梁结构相比,其降低了MEMS压电振动能量收集器的机械阻尼。通过ANSYS软件对结构进行了优化设计,得到压电悬臂梁的优化尺寸为2.72mm×3.55mm×0.125mm,硅质量块的优化尺寸为14mm×8.45 mm×0.575 mm。设计了器件的加工工艺流程,并完成了芯片的制作。在加速度2g(g=9.8m/s2),谐振频率606Hz,最优化负载45kΩ下,输出电压为4.32V,输出功率为414.7μW,能够满足故障检测系统的可持续供电需求。