微型电磁式振动能量采集器的研究进展

随着低功耗无线传感网络和微机电系统的迅速发展,供电问题正成为它们进入实用化、产业化的一大障碍。现有的一个解决方案是微型电磁式振动能量采集器。首先给出电磁式振动能量采集器的工作原理、物理模型和设计原则,然后详细介绍目前国内外各研究小组研制的电磁式振动能量采集器的几何模型、结构参数、输出结果和技术特点,最后简单分析电磁式振动能量采集器面临的困难、挑战和发展趋势。     

压电振动能量收集装置研究现状及发展趋势

摘要：随着无线技术及微机电技术的日益发展,以化学电池为主的供能方式的弊端日渐显露,压电振动能量收集装置以其结构简单、清洁环保及易于微型化等诸多优点而得到了极大重视。本文从振动能量收集常用的压电材料及其压电性入手,从压电振动能量收集装置的结构设计和能量收集电路设计两方面对其进行阐述。在结构设计方面,以压电振动能量收集结构的方向性和响应频带为主线,详细介绍了国内外研究者在压电振动能量收集装置结构设计上的变化与创新;在能量收集电路设计方面,以能量收集效率的提高为主线,介绍了电路结构的优化改进。最后,总结了压电振动能量收集装置未来的研究趋势和方向,为从事压电振动能量收集研究的人员提供参考。     

多方向振动能量收集装置输出特性分析

针对一种压电振动能量收集装置输出特性展开研究,以实现多方向、宽频振动能量收集。首先,建立压电悬臂梁单自由度振动系统的微分方程,分析外激励下悬臂梁的输出响应。在此基础上,采用COMSOL建立多悬臂梁式振动能量回收装置有限元模型,并进行模态、输出电压及输出功率等分析,仿真结果表明振动能量回收装置在不同方向激励时均具有较高的电压、功率输出。此外,进一步讨论了装置的在不同方向激励下宽频输出特性,结果显示其在200～400 Hz频带范围内具有多个幅值相当的峰值。     

用于振动能量收集的MEMS压电悬臂梁

本文介绍了一种MEMS悬臂梁器件,将环境中的振动机械能转化为电能.该悬臂梁的主体材料为单晶硅,其上覆盖一层用Sol-Gel法制备的PZT压电材料,利用压电材料的正压电效应实现机电能量的转换.论文给出了悬臂梁式振动能量收集器的一个简单理论模型.器件采用(110)硅基片,有利于通过湿法腐蚀制备质量块.质量块可以用来降低器件的谐振频率,并提高输出电功率.尺寸参数为3600μm×270 μm的器件样品的测试结果表明,在其谐振频率1673Hz,振幅为11nm的振动条件下,该器件的最大输出功率大于1nW,即0.11 μW/cm2.     

基于弹簧振幅放大的电磁式振动发电设计

针对新能源振动发电技术,提出了一种利用弹簧增大振幅的电磁式振动能量收集装置。为提高能量收集效率,利用电机电磁模型和质量-弹簧-阻尼振动模型对能量收集装置的输出电压进行了建模分析。针对振动频率为15 Hz、振幅1 mm的样例工况,对弹簧振幅放大机构进行了最优化设计;根据优化结果利用Solid-Works软件对弹簧振幅放大机构进行建模,并将模型导入ANSYS软件进行有限元分析,对振幅放大机构设计方案的合理性与可行性进行评估;最后,制作样机并搭建了振动发电实验平台,对样机进行实验验证。实验结果表明,所设计方案在样例工况下将动子振幅放大7.98倍,空载电压达22.8 V,最大输出功率为0.44 W。为使本装置能够应用于更为广泛的领域,利用3个不同频率工况进一步验证了所设计装置与所提方法的有效性。     

多方向压电振动能量收集装置及其优化设计

摘要：为实现对不同方向环境振动能量的收集,提出了一种新颖的多方向振动能量收集装置的设计结构,装置的换能部分采用了一种Rainbow型压电结构。为提高多方向振动能量收集装置收集能量的效果,以多方向振动能量收集装置输出的总电能为目标函数,综合考虑金属弹性基片的强度、装置振动的固有频率及装置的尺寸空间要求等多种因素,采用序列二次规划法对能量收集装置的结构参数进行了优化。该多方向振动能量收集装置经过优化后,在Y向激励时,其输出的总电能为37.146μJ,比优化前提高了30.82%,当沿装置体对角线方向激励时,结构装置输出的总电能为58.715μJ,比优化前提高了29.24%,装置的能量收集效果得到了明显提高。分析结果为多方向振动能量收集装置的设计、制造及应用提供了技术依据。     

基于电镀铜平面弹簧的微型电磁式振动能量采集器

采用微机电系统加工技术制作出一种结构新颖的微型电磁式振动能量采集器,它可以把周围环境中的振动能转换为电能.整个结构主要由圆形SmCo28永磁体、铜平面弹簧和双层线圈构成.采用Uv-LIGA技术和电镀技术制作铜平面弹簧和双层线圈,并与永磁体一起组装成试验样机,其体积大约为200mm3.Ansys有限元仿真结果表明共振结构的一阶固有频率为129.3Hz.对组装好的电磁式振动能量采集器试验样机的初步测试表明:在加速度为3g(g=9.8m/s2)的外界输入冲击下,负载两端的交流电压峰峰值为32.5mV.     

二维声学黑洞应用于压电振动能量收集

声学黑洞(acoustic black hole, ABH)效应可以产生强烈的能量集中,能够将高频率低振幅的低品质振动能量转化为高振幅的高品质振动能量,从而便于利用。提出并研究了一种环形二维声学黑洞压电能量收集装置。有限元分析结果表明,环形二维ABH结构能在宽频域内显著提高能量收集效率。搭建了环形二维声学黑洞压电能量收集器试验测试平台,通过试验验证了仿真结果的正确性。与经典二维ABH结构相比,环形二维ABH结构具有更好的能量收集效率和结构强度。分析了压电片几何尺寸等因素对装置能量收集效率的影响,得到了能获得较高输出功率的几何尺寸范围,并进行了正交试验设计,研究了截断厚度、压电片尺寸、中央平台直径、幂指数等多因素的综合影响。     

基于MFC的地铁轨道振动能量收集研究EI北大核心CSCD

压电陶瓷极限受拉承载力弱,导致传统悬臂型俘能器在工程应用中极易开裂损坏,与其持续供能的初衷相违背。压电纤维复合材料(MFC)具有优异的柔韧性、耐久性,恰恰弥补了这一缺陷。然而以MFC材料为基础的俘能器在地铁轨道振动能量俘获中的应用鲜有研究。首先建立地铁车辆-轨道耦合系统模型,得到钢轨在车辆荷载作用下的动力响应。紧接着基于混合规则和代表体积元建立型悬臂式MFC俘能器的力电耦合模型,并将钢轨的动力响应作为俘能器的输入荷载预测其电能输出,讨论了材料参数、几何参数及车辆荷载特性对输出电能的影响。并进一步通过试验研究,验证了所建立理论分析模型的正确性。最后基于LTC3588-1能量管理芯片进行了能量收集-存储模拟,验证了MFC俘能器用于无线传感器供能的可行性。     

针对远程无线开关的电磁式冲击能量收集器研究

远程无线开关控制面板的应用大大改善了人们的生活质量.研究了一种电磁式冲击能量收集器,实现了无线开关面板的无电池、自供能工作.提出了E型和U型两种铁芯的冲击式能量收集器结构,分析了工作原理.采用ANSYS Maxwell软件分析了收集器的磁力线分布、输出电压、输出功率等性能,完成了样机尺寸的优化设计.加工组装了E型铁芯的...     

球形永磁阵列振动能量收集器设计与优化

为实现多方向环境能量收集,设计球形电磁式振动能量采集器。基于二维Halbach阵列设计的球面Halbach永磁阵列,较传统永磁阵列能提高线圈中磁链变化梯度,从而提高结构输出性能;建立数学解析模型,据解析结果对模型各参数进行优化;对该模型进行有限元仿真分析及实验性能测试。结果表明,该模型能有效响应空间任意方向振动,进而转化为电能;外部激励为10 Hz、激励为水平方向、负载阻值50 Ω时,该球形振动能量采集器输出电能达最大,单个线圈中最大负载功率可达0.8 mW。     

自供电无线振动传感器网络的双模组振动能量收集与管理方法

针对自供电无线振动传感器网络节点在高、低功耗模式下能量供应等待周期长或容量不足的问题,提出一种双模组振动能量收集与管理方法。设计小能量存储容量模组和大能量存储容量模组,小能量存储容量模组蓄能周期短,大能量存储容量模组蓄能容量大。在每个模组中,欠压闭锁电路断开后级电路通路将能量阻断,然后蓄积于电解电容,降压稳压电路降压转换电解电容的高电压能量并存储于超级电容,能源状态监测电路监测超级电容的能源状态,无线振动传感器网络节点微处理器获得能源状态信息后,根据后续工作的能量供应需求启用不同的蓄能模组。实验结果表明:双模组振动能量收集与管理电路最短蓄能周期仅6 min,完全启动双模组的情况下每个蓄能周期提供高达4.19 J的能量,能够驱动无线振动传感器网络节点正常工作。     

应用于无线传感器节点的微小型复合能源收集系统(英文)

设计并实现了一种可应用于无线传感器节点的复合能源系统样机,基于一种无线地磁交通流传感器,提出了本文的设计目标.选择太阳能、风能、应变能作为系统的能量源.根据这3种不同能量源的特性,对能量管理模块与能量储存模块进行了针对性设计,最后实现并测试了样机.实验结果表明,该样机可连续35 h在3.55 V电压下输出50mW的电能.     

基于压电效应的声能量收集

对圆盘式压电能量收集器在声场作用下的电能输出效果进行了研究。将处于夹持状态的压电陶瓷片,放置在单频稳态的正弦波形声场中,由于激振作用,压电陶瓷片会产生形变。实验结果表明,在器件处于谐振状态时输出电压和功率会达到最大值。在正弦声场中,当声波频率达到907 Hz的谐振频率时压电陶瓷片的开路输出电压可以达到4.6 V;在110 dB的声场中,当负载电阻达到11.2 kΩ时,输出功率最大可达60.4μW。     

轴向运动弦线横向非线性振动的能量和守恒

基于轴向运动弦线横向非线性振动的动力学方程，导出系统能量随时间变化的关系，定义了一个在系统振动过程中保持不变的守恒量。     

智能包装技术及应用

智能包装技术引起了学术界和工业界的普遍关注。对智能包装技术与应用进行了综述,重点讨论智能包装与智能包装系统,分析实现智能包装的传感器技术、指示剂和无线射频识别技术,简要介绍智能化包装工业和智能包装发展的主要方向。     

基于MEMS技术的三明治型电磁式微振动能量采集器

本文中设计了一种结构新颖的三明治型电磁式微振动能量采集器,主要包括上线圈、下线圈和由永磁体与硅基平面镍弹簧构成的拾振系统.上、下线圈的对称性分布有利于充分利用永磁体周围的磁场从而提高整个器件的机械能-电能转换效率.实验样机主要采用MEMS微加工技术制作,其中的硅基平面镍弹簧采用体硅微加工和微电镀技术制作,双层铜线圈采用微电镀和聚酰亚胺绝缘层技术制作.实验样机的体积约为0.32 cm3.振动特性测试表明,在外界加速度小于8 m/s2时,永磁体振幅随着加速度的增加而增加,在加速度大于8 m/s2以后,振幅几乎不再增加,出现饱和现象.电学特性测试表明,在8 m/s2加速度作用下,单线圈和串联线圈产生的感应电压峰峰值分别为82.5 mV和125 mV,因此,三明治结构的新型设计使得输出电压增加了51.5%.另外,在加速度为8 m/s2、频率为280.9 Hz的外界振动激励下,实验样机产生的最大负载电压和最大负载功率分别为125 mV和13.2μW.     

盲人用品包装的智能设计

目的通过研究盲文的设计使用方法和智能语音技术的介入,使盲人用品的包装达到无障碍的设计要求。方法分析盲人用品包装的现状及设计要求,讨论基于智能语音技术的盲人用品包装的设计思路。从包装材料选择、结构设计、语音识别等角度进行设计,从盲文的使用和智能语音技术的标准化、合理性、艺术性等角度进行突破,讨论基于智能语音技术的盲人用品包装的设计策略。结论盲人用品包装设计是人性化的交互式设计,智能语音将成为盲人用品包装的"标配"。     

针对老年人智能医药品包装设计的问题分析及设计策略

老龄化社会已悄然到来。本文通过对市场现有的老年人智能医药品包装设计进行问题分析,从老年人生理、心理和情感的角度考虑,有助于改善目前老年人智能医药品的包装设计,解决老年人因某种因素无法正常服药的问题。