基于抗磁悬浮的电磁感应式气流能量采集器

提出了一种基于抗磁悬浮技术的气流能量采集器,其由提升磁体、上热解石墨板、永磁体转子、针孔喷嘴和下热解石墨板构成。利用有限元软件COMSOL对能量采集器的磁场和流场进行模拟分析,同时使用ANSYS对线圈中的感应电压进行模拟分析,对所提出的气流能量采集器的悬浮特性、旋转特性和输出特性加以研究。实验中由于永磁铁转子受到重力和提升磁体施加在转子的磁吸引力以及热解石墨板的抗磁力,永磁铁转子受力平衡并自由悬浮于两个热解石墨板中间,在两个水平对称布置的喷嘴气流作用下旋转。通过理论分析,模拟和实验研究了能量采集器的输出特性,输出电压与能量采集器的气流之间的关系是二次函数,输出电压与转子转速之间的关系是线性函数。结果表明,当气体体积流量为2 748 cm3/min时,能量采集器的最大输出电压为3 V,最大输出功率为55.8 mW,悬浮转子最大转速可达20 000 r/min。当气体体积流量达到质量流量控制器的最大值时,能量采集器的输出电压仍然根据二次函数的趋势上升。由于实验中质量流量控制器的量程限制,此时的最大输出电压并不是气流能量采集器的输出电压上限。通过降低气流能量采集器各部件之间的机械摩擦,能够有效收集气流能量。     

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。     

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。     

悬浮式低频宽带电磁振动能量收集器

振动能量收集技术是一种解决无线传感网络供电难题的理想方案。为实现低频、宽带振动能的高效收集,设计了一种基于抗磁悬浮系统的悬浮式电磁振动能量收集器。利用抗磁悬浮系统的低刚度特性降低系统的工作频率,并通过碰撞实现振动能量收集器工作频带的拓宽。对所设计的振动能量收集器进行理论分析和实验研究,分析悬浮磁铁的抗磁悬浮机理,建立振动能量收集器的机电耦合模型,测试了不同振动激励、负载条件下振动能量收集器的电能输出特性。实验结果表明,当激励加速度为0.3g时,峰-峰电压为205 mV,最大均方根输出功率为105.7μW,工作带宽可达8 Hz。     

抗磁悬浮原理在执行与传感方面的应用研究及发展

抗磁悬浮是利用物质对磁场的排斥力实现磁悬浮,作为磁悬浮技术的一个分支,是一种真正意义上的无接触悬浮。按照不同的应用领域,从传感器、执行器、能量采集器、生物科学以及自组装等方面对抗磁悬浮结构进行了具体的介绍,概述了抗磁悬浮在各个领域的工作原理、结构组成以及适用范围,分析了抗磁悬浮发展现状及应用前景。研究得出抗磁悬浮具有室温下无源工作、自主稳定悬浮以及适宜在微器件尺度下使用等优点,其系统简单、可靠性高、系统体积小且质量轻,在工程技术上有重大的意义。     

倾斜异长组合型压电能量采集器设计与仿真

振动是自然界中普遍存在的现象,而压电材料可以将外界振动的机械能转化为电能,为微型机电系统、无线传感网络和嵌入式系统等提供能量,从而使得器件降低对电池能源供应的依赖。为了拓宽压电能量采集器的工作频带并提升其能量采集效率,该文设计了一种倾斜异长组合型压电能量采集器,通过理论分析得出该能量采集器的固有频率以及压电能量采集器的各组模态振型,通过有限元分析证明了理论推导的正确性,验证了在该设计中压电悬臂梁组数对压电能量采集器的影响规律。结果表明,倾斜异长组合型压电能量采集器可以实现多模态下的振动能量采集,提升能量采集效率。     

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。     

一种微型电磁式振动能量采集器的设计与制作

设计了一种新型的电磁能量采集器,将横向振动能转变为电能。该能量采集器主要包括折叠梁,永磁体和螺旋形铜线圈结构,器件设计的固有频率为274Hz。电磁模拟显示磁感应强度随着永磁体与线圈的间距增大而急剧减小。通过MEMS技术制作出器件模型,在242Hz共振频率下,加速度为0.5g(g=9.8m/s²)时,能量采集器输出电压峰峰值为28mV,最大输出功率为0.55uW。     

抗磁稳定悬浮结构的阻尼特性研究

研究了一种抗磁稳定悬浮结构的涡流阻尼力的阻尼特性。建立了求解涡流阻尼及阻尼系数的数学模型,借助MATLAB和COMSOL 5.6通过三维电磁场有限元仿真分析方法研究了涡流阻尼的特性以及外部激励频率、振幅、悬浮磁体厚度、导体板厚度等对涡流阻尼的影响,给出了其变化规律。结果表明：增大磁体半径与厚度、增大抗磁体边长和厚度以及减小悬浮间隙都可增大涡流阻尼。除此之外,增大外部激励的振幅与频率也可以增大涡流阻尼,但增大激励频率时涡流阻尼会出现相位滞后现象。该结果对于分析研究抗磁悬浮结构的振动特性具有一定的参考意义。     

混合外转子磁悬浮开关磁阻电机的电磁分析

为了解决飞轮储能支撑系统体积庞大以及功率损耗大的影响,提出了一种转子由8个凸极和圆盘轴向叠加而成的12/8极混合外转子结构磁悬浮开关磁阻电机(Bearingless Switched Reluctance Motor,BSRM)。该电机的特征是转子直驱飞轮,提高了装置的紧密度并且圆盘提供了悬浮力。文中详细介绍了该电机的悬浮机理和发电原理。结合ANSOFT三维有限元仿真,分析该电机的电磁特性以及转矩、悬浮力特性,结果表明:该飞轮电机具有悬浮力承载力强、易于控制、耦合小等优点。     

基于锥形聚合物波导的高灵敏光纤温度传感探头

基于简单的蘸取技术和紫外光固化技术集成锥形聚合物波导结构与光纤制备了一种高灵敏光纤温度传感探头.实验结果表明,该结构在低温时的温度灵敏度为123.6 pm/℃,且其灵敏度随温度的升高呈非线性增加趋势.其中,聚合物波导的结构紧凑,轴向尺寸为300 μm,径向最小尺寸为2μm.基于该波导制备的探头具有较好的温度响应特性、生物兼容性且能实现点探测,在生物医疗等领域有着重要的应用前景.     

压电能量采集器高效能量提取接口电路设计

压电能量采集器能把环境振动能转换为电能,该文基于如何将压电能量采集器转化电能最大化提取的研究,提出了一种压电能量采集器高效能量提取接口电路,采用有源二极管整流电路降低了整流过程中的导通压降损耗,电感同步开关电荷提取电路有效提取了寄生电容中储存的电能。利用华虹宏力0.11 μm CMOS工艺进行电路设计和版图布局。测试结果表明,接口电路可提取80.4%寄生电容中存储的电能,20 kΩ电阻负载下导通压降为20.2 mV,在加速度5g(g=9.8 m/s2)和频率40 Hz条件下平均提取功率是标准接口电路的2.58倍。该芯片可应用于基于振动能供电的无线无源传感节点等领域。     

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。     

光栅辅助超窄带多光谱等离子体共振传感器结构的仿真分析

半峰全宽(FWHM)是影响传感器性能的重要因素,为了提高表面等离子体共振传感器的品质因数,提出了一种光栅辅助超窄带多光谱等离子体共振传感器结构。该结构由周期性交替的SiO₂与Au矩形纳米柱构成,并置于SiO₂/Al₂O₃薄膜层上。利用全矢量有限元法对该结构的传输特性及传感特性进行数值仿真,分析了结构参数及入射光偏振态对FWHM和传感特性的影响。仿真结果表明,在800～1100 nm波长范围内,该传感器的传输谱存在两个由光栅衍射及等离子体共振形成的凹点,相应的FWHM分别为0.35 nm及0.59 nm,折射率灵敏度分别为525.7 nm/RIU、475.7 nm/RIU,品质因数分别为1502.00 RIU^-1和806.27 RIU^-1,在生物检测、药物筛选、膜生物学等领域具有潜在的应用前景。     

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。     

长周期光纤光栅单损耗峰实现轴向应变和温度双参量

由于长周期光纤光栅进行传感时存在温度交叉敏感的问题,因此,提出了一种长周期光纤光栅单损耗峰实现温度与轴向应变双参量同时传感的方案。实验制备长周期光纤光栅并分析光栅损耗峰随温度和轴向应变变化的特性：温度导致光栅中心波长漂移,温度灵敏度为90 pm/℃,但是对强度几乎没有影响;轴向应变主要影响光栅的强度,轴向应变灵敏度为12 dB/mε,对中心波长影响较小。实验结果表明,利用长周期光纤光栅单损耗峰从波长漂移和强度变化两个维度进行分析,可以实现温度、轴向应变的双参量同时传感。该方案结构简单,迟滞、重复特性好,具有一定的实际应用价值。     

三轴电磁式振动能量采集器设计与验证

针对传统化学电池需定期更换并进行周期性充电、在户外环境无法长期稳定供电的问题,设计了一种悬浮式电磁振动能量采集器。基于电磁感应原理对能量采集器进行了理论分析,制作了三轴电磁式振动能量采集器,分别在X、Y、Z三个方向布置振动能量采集器单体,设计了能量转换电路,将收集到的电能转变为3.3 V直流电。开展了台架测试和应用场景测试,结果表明,振动能量采集器单体在振动幅度为10 mm、振动频率为9 Hz时输出性能最高,最大输出功率为43.11 mW。探究了振动能量采集器单体在不同振动幅度和振动频率下的直流输出性能,在振动幅度大于10 mm、振动频率为4～8 Hz时可为LIS3DH加速度传感器稳定供电。通过沿X、Y、Z轴布置的振动能量采集器单体阵列,使振动能量采集器具备全方向收集振动能量的能力,大大提高了收集振动能量的效率与适应性。该采集器可应用于诸如机器振动、波浪、人体运动等多种场景的振动能量收集,实现为无线传感网络节点等低功耗用电器供能,具有一定应用价值,可为研究低功耗电子元器件的自供电技术提供参考。     

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。     

压电电磁复合式振动能量采集器模型的研究

针对目前单一化的压电式或电磁式机械振动能量采集装置最大输出功率较低的问题,设计了一种新型的压电电磁复合式能量采集器。通过对复合式能量采集器建立数学模型,推导出了电压、电流及输出功率的表达式。然后对复合式能量采集器的输出功率特性进行数值仿真,并设置压电片内阻值及其他参数条件,对比分析复合式能量采集器模型与单一的压电式或电磁式能量采集器模型,理论上输出功率提高了38.2%和4.74%。最后通过对采用悬臂梁结构的振动能量采集器的具体实验数据进行分析,论证了压电电磁复合式能量采集器输出功率的高效性。     

基于FR 4的压电能量采集器参数研究

为了进一步研究非线性材料基底对于压电能量采集器输出性能的影响,该文对以FR 4绝缘板为基底的悬臂梁式压电能量采集器的结构参数进行优化研究。在正交实验和单因素实验方案的指导下,通过仿真及实验验证得出各参数对采集器输出影响的一般规律。结果表明,基底厚度对结构固有频率影响最大,贡献率达到了9198%。悬臂梁长L、厚S和宽H改变时,输出响应曲线呈现出非线性特性;而末端质量m与输出性能间则存在近似线性的关系。实验中,当L=80 mm,S=13 mm,H=1 mm,m=1 g时,输出功率可达37 μW。通过方差分析结果表明,末端质量对输出性能的影响最大,梁宽对输出性能的影响次之,梁长对输出性能的影响最小。