压电陶瓷能量转换系统

为实现利用压电材料收集人体能量,将其转化成电能在某些特殊应用领域替代电池或自动为电池充电的目的,设计了一个能量转换系统,该系统由压电发电装置和存储与控制电路组成。通过试验的方法研究了压电振子在结构参数、支撑方式等多种因素影响下的发电特性,根据试验取得的优化参数和工作方案设计了压电发电装置,并尝试利用其为无线遥控器供电。经过试验测试,压电发电装置在外接100 kΩ负载时最大输出功率为58.2 mW,连接存储与控制电路时可满足无线遥控器(以开关无线遥控器为例)的使用要求,信号传输距离达到10 m以上。     

压电陶瓷能量转换系统

为实现利用压电材料收集人体能量,将其转化成电能在某些特殊应用领域替代电池或自动为电池充电的目的,设计了一个能量转换系统,该系统由压电发电装置和存储与控制电路组成。通过试验的方法研究了压电振子在结构参数、支撑方式等多种因素影响下的发电特性,根据试验取得的优化参数和工作方案设计了压电发电装置,并尝试利用其为无线遥控器供电。经过试验测试,压电发电装置在外接100kΩ负载时最大输出功率为58．2mW,连接存储与控制电路时可满足无线遥控器（以开关无线遥控器为例）的使用要求,信号传输距离达到10m以上。     

MFC俘能器振动发电模型及负载特性研究

传统压电俘能器陶瓷层易碎,无法满足低功耗无线传感网络节点长时间供电要求。现采用柔韧性更好,使用寿命更长的压电纤维复合材料MFC作为压电俘能器。参照压电陶瓷振子的振动发电模型,建立了悬臂梁式MFC俘能器的振动发电模型,得出影响输出功率以及能量转换效率的各种因素,研究MFC的输出功率、能量转换效率与负载之间的关系。负载特性实验表明,该模型理论值和实验值虽存在一定误差,但能够较为准确揭示MFC输出功率、能量转换效率与负载之间的变化规律。     

车载传感器压电和电磁混合式自供电技术

研究了一种用于车载传感器自供电的压电和电磁复合式能量收集技术,给出了系统的数学模型,分析了系统共振频率与系统结构参数的关系,设计了一套压电和电磁复合式能量收集装置.实验结果表明,数学模型基本反映了系统的输出特性,在共振频率为18 Hz,加速度为0.5 g时,复合式能量收集装置的最大负载功率为3.75 mW,相比于采用单一电磁技术时的最大负载功率3.2 mW增加了17%.     

基于波纹梁的两自由度低频振动能量收集装置

为改善压电式振动能量收集装置固有频率高、能量收集效率低等问题,设计了一种基于波纹梁式压电振子的两自由度振动能量收集装置,并通过理论建模和数值仿真分析其能量收集特性。分析结果表明:与传统的单自由度和两自由度压电振子相比,含有波纹梁的压电振子的固有频率最低,且前五阶固有频率均为0~60Hz;其中,第四阶固有频率为45.92 Hz,比单自由度压电振子低419.9Hz,比传统两自由度压电振子低55.1Hz。同时,在相同条件下波纹梁式两自由度压电振子输出的电压最大,可达到28V。     

低功耗自供电机械设备状态监测系统设计

为解决机械设备安全运行监测设备的续航能力差、需要频繁更换电池的问题,设计了一种低功耗自供电机械设备状态监测系统.该系统由磁悬浮电磁能量采集器、能量管理电路、低功耗无线传感电路以及监测上位机组成,通过收集机械设备运行状态下溢散的振动能量为监测节点供电,同时将机械设备运行状态下的温度和振动信息通过蓝牙传输方式发送到接收器,...     

基于圆形压电振子的骨传导听觉装置

应用周边固支式圆形压电振子作为驱动元件,将音讯信号转换为振动信号,再利用骨传导方式使人感知音讯信号,在此基础上构建了圆形双晶片压电式骨传导听觉装置。对圆形压电振子进行了建模,利用有限元仿真分析,提出了压电振子支撑方式的优化方案。对设计的压电式骨传导听觉装置进行了实验测试,得到了骨传导装置结构参数对其性能影响的关系曲线。实验研究表明:压电式骨传导听觉装置的基本性能指标能够满足骨传导听觉装置的要求。     

压电俘能地板设计与实验研究

设计了一种踩踏式压电俘能地板,将行人踩踏时产生的机械能转化为电能,收集后向用电器供电。首先采用三维建模软件进行机械结构设计和能量收集系统设计,然后制作样机进行实验,测出实际压电地板的最大输出电压,将理论值和实际值进行对比,踩踏力为850 N时,压电地板的最大输出电压为14.6 V,其性能符合预期。     

同步电感提取技术在压电风能采集装置中的应用

虽然同步电感能量提取技术(SSHI)能够显著提高压电能量采集装置的采集效率,但需要额外的位移传感器对压电片的动作状态进行检测,在压电片发生复杂形变时此方法不适用。为了提升俘能电路在非线性激励下的工作效率,本文基于小旗式压电风能采集装置,设计了一种新型自供电、自感知式同步电感能量采集接口电路,该电路可以根据压电片输出的电压判断压电片的形变量,实现同步电感开关的自动控制。同时,利用Multisim电路仿真软件,对标准接口电路及新型接口电路进行仿真分析。仿真结果表明,新型接口电路能够有效提高俘能电路在非线性激励下的能量俘获效率,与传统俘能电路相比,新型俘能电路可以使输出功率提升30%。该研究为非线性俘能电路的设计提供了理论依据。     

自供能系统中可配置DC-DC转换器的设计

从环境中获取能量的自供能系统相比传统电池供电的系统具有绿色经济、无须更换/维护电池充电等优势,是物联网领域发展的一个热点方向.自供能系统中"收集-存储-使用"能量采集架构的DC-DC转换器转换效率直接影响着整个系统的性能和能效,如何平衡储能电容放电电压和负载之间的关系以实现较高的能量转换效率是一个关键问题.提出一种自供...     

耦合弯曲-剪切载荷L型压电振子的低宽频特性

针对传统的压电能量采集装置固有频率高、工作频率范围窄及能量转换率低的问题,基于Timoshenko梁理论提出耦合弯曲-剪切载荷的L型压电振子,研究基于L型压电振子的复合压电结构的能量采集特性. 根据无线传感器的作业环境特点,研究L型悬臂梁的长度、宽度及延伸段长等因素对压电能量采集频率、输出电压峰值及能量转换效率的影响规律. 组合不同尺寸L型压电悬臂梁,研究设计回字形布局的阵列式复合振子. 经仿真分析与实验验证结果可知,在0~250 Hz低频环境下,能量采集频率为28~36 Hz、61~68 Hz、92~99 Hz以及103~111 Hz,较等尺寸传统阵列式压电复合振子覆盖频率平均提升了260%.     

基于粒子群的压电结构多目标同步优化控制

为了分析压电智能结构振动主动控制中结构与控制的耦合特性,克服现用优化算法的复杂性,以压电智能梁结构为研究对象,运用粒子群优化方法对传感器与作动器分布和反馈控制增益进行同步优化.选用储存能量和控制能量最小以及振动衰减最快的多重性能指标作为优化目标函数,找出了针对特定振动模态下的最佳贴片位置与控制增益,分析了压电片长度和数量对控制效果的影响.运算结果表明,与传统遗传算法相比,粒子群具有编程简单、计算量小、收敛速度快等优点.仿真结果显示,基于粒子群同步优化后的结构振动控制效果明显,验证了该方法的可行性.     

网络编码的分布式存储系统理论分析

为了研究网络编码在分布式存储系统中的性能,建立了无线传感网络（WSN）中的分布式存储模型,从双向图的角度推导出系统中数据节点、存储节点以及所需查找的节点之间的折衷关系。该理论公式尤其对于能耗受限的无线传感网络的分布式存储实现,具有一定的指导意义。     

Development of piezoelectric energy-harvesting tuned mass damper

Tuned mass dampers (TMDs) are one of the most widely used devices to mitigate vibrations in structures. Usually, in conventional TMDs, viscous dampers convert the energy of vibration into heat. A new type of TMDs, called regenerative TMDs, has been developed. Energy transducers either are coupled to traditional TMDs or replace the dampers. Instead of being dissipated as heat, energy of vibration is now converted into electricity. This paper describes a regenerative TMD using piezoelectricity regenerative components as energy transducers. This piezoelectric energy-harvesting TMD (PETMD) is designed to mitigate vertical vibration as with conventional TMDs, while harvesting energy as a power resource for immediate use or storage. The system design and general design strategy of the PETMD are described, outlining the manner in which the vibration control performs its functions efficiently. The piezoelectric regenerative component is then configured and optimized by finite element analysis to maximize the power generation capacity. Finally, a small prototype is constructed to confirm the results from analysis. An energy of 80 μW was harvested from the prototype when excited by harmonic forces of about 2 N at 5 Hz and coupled to a resistor of 9.9 kΩ.     

能量收集的无线传感器节点能量管理策略

针对能量收集无线传感器网络中传感器节点电池存在存储损耗和容量衰减特性的问题,建立了末梢节点电池存储损耗和容量衰减的通信模型,研究了无线传感器生命周期内吞吐量最大化的问题。将系统优化问题转化为凸优化问题,通过凸优化分析得到与当前能量收集水平、电池能量水平以及信道增益相关的信息传输功率控制策略;提出了适应电池存储损耗和容量衰减的双功率阈值算法,用于优化平均吞吐量;提出了最小化放电空间的电池充放电管理策略抑制电池容量的衰减速度,优化无线传感器的生命周期,并对无线传感器生命周期与电池放电空间进行理论估计。仿真结果表明,在不同电池存储效率、放电空间比例下,本文提出的双功率阈值算法相较于自适应定向注水算法能够通过减少电池的频繁充放电次数,降低收集能量的存储损失,优化了无线传感器的平均吞吐量和生命周期,使生命周期内的吞吐量最大化。     

基于压电效应的低频无线通信机械天线

传统电天线的尺寸与其发射电磁波的波长相近。 低频电磁波(30 ~ 300 kHz)的波长达数公里,低频电天线存在尺寸过大、隐蔽性差、功耗大等问题。 为解决电天线尺寸和功耗大的问题,同时提高低频无线通信应用的灵活性,提出了一种基于压电效应的机械天线,机械天线是利用机械运动的电荷直接激励产生电磁波。 研究了压电机械天线工作的物理机理; 通过阻抗-频率曲线研究压电机械天线的阻抗特性; 利用无线通信系统对比了不同边长压电机械天线的低频辐射性能; 同时验证了压电机械天线辐射的磁场随无线通信系统接收端与压电机械天线距离的变化规律。 结果表明,压电机械天线在便携式、低成本和高性能低频无线通信应用中具有巨大潜力。     

Low frequency wide bandwidth MEMS energy harvester based on spiral-shaped PVDF cantilever

In this paper,a piezoelectric energy harvester based on spiral-shaped polyvinylidene fluoride(PVDF)cantilever is designed and fabricated for harvesting low frequency vibration energy in the environment.In this design,the spiral-shaped PVDF cantilever is major for lowering the resonant frequency by increasing the length of the cantilever;Copper and silicon proof masses on both sides are working on further decreasing the resonant frequency and widen its bandwidth.Due to the high flexibility of the PVDF cantilever,this device is extremely sensitive to vibration and can harvest weak vibration energy.Both simulation and experimental results have approved that this device can operate at very low frequency which is about 20 Hz and can effectively harvest energy from 15–50 Hz.The peak of the output voltage can reach 1.8 V with the acceleration of 0.2 g.This is a promising harvester for powering the wireless sensors in the future.     

面向智能电网负荷调节的自适应储能系统控制

提出一种自适应储能系统控制方法,对智能电网中电动汽车的动态无线充电负荷进行调节.该方法在系统代价函数中联合考虑电网侧功率的变化率和充放电对电池寿命的影响,采用自适应动态规划算法,通过在线神经网络训练,估计并最优化系统长期代价,从而得到近似最优的储能系统控制策略.仿真结果表明,该方法能有效降低电网侧功率的斜率,使负荷更加平稳,同时延长储能系统中电池的寿命.     

压电陶瓷自发电平台设计与能效分析

为探究压电材料在分布式供能下的发电效率,设计了一套压电陶瓷自发电试样装置,基于压电陶瓷发电能力影响因素的定量分析,设计了压电陶瓷发电能力模块测试平台;通过人体载荷试样,测得行进过程中压电陶瓷的发电能效;找到压电陶瓷数量、拓扑结构参数、载荷、振动频率及组合方式与发电能效之间的定量关系;并基于理论分析与试样研究,提出了提高压电陶瓷发电能效的解决方案.结果表明:压电陶瓷二次压电效应是影响发电的主要因素.利用压电材料的特性进行能量转换,为解决新能源问题提供了新途径.