MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源的设计

在单一效应的MEMS振动驱动微能源的基础上,提出了一种MEMS压电-磁电复合振动驱动微能源器件。该微能源由八悬臂梁-中心质量块结构和永磁铁两部分组成,环境振动使中心质量块振动,PZT压电敏感单元由于压电效应产生电势差;同时中心质量块上集成的高密度线圈切割磁感线产生感应电动势,将压电转换与磁电转换相结合把振动能转换为电能。建立了该结构的数学模型并用有限分析软件Ansys12.0对该器件进行力学特性分析,最后对加工出的微能源进行性能测试。测试结果表明,该微能源谐振频率为8 Hz,易与环境发生共振;在共振条件下,施加1 gn 的加速度,器件压电发电开路输出电压峰峰值达154 mV,磁电发电开路输出电压峰-峰值达8 mV,有望为无线传感网络节点提供稳定的能源。     

Correlation of direct piezoelectric effect on EAPap under ambient factors

Direct piezoelectricity of electro-active papers(EAPap)is analysed in this paper. The test setups for direct effect are designed and determined. Different ambient factors impacting the piezoelectricity of EAPap, such as temperature, humidity, and strain rate, are applied and analyzed. Strong piezoelectricity of EAPap is found on the basis of the test results and in comparison with polyvinylidene fluoride(PVDF)and lead zirconate titanate(PZT)-5H. The maximum piezoelectric constant is achieved to be 504 pC/N. The reason of strong piezoelectricity of EAPap is discussed in this paper. The potential of EAPap as a biomimetic actuator and sensor is also investigated.     

理论计算5-氟尿嘧啶三水复合物质子转移的异构化

为了研究5-氯尿嘧啶三水复合物异构体的相对稳定性和异构体之间的转变机理,以至于了解药理性质,对实验进行指导,故本文采用密度泛函B3LYP/6-311+G(d,p)法,研究计算5一氟尿嘧啶6种三水复合物的稳定性及质子转移而引起的双酮式-双醇式或酮醇式互变异构的反应机理,获得零点能、总能量及质子转移过程的反应焓、活化能、活化吉布斯自由能和速率常数等参数.IPCM反应场溶剂模型用于计算水相.本文与文献[9]的区别在于重点研究3个水分子存在下及三水复合物在整体溶剂中的质子专移规律,而文献[9]仅讨论了分子内和-水催化时的规律.本文证明在三水复合物中,双酮式Fu1a-3w最稳定,与已有实验结果相符.由双酮式三水复合物通过双质子转移向双醇式或酮醇式异构化中,找到3条反应通道(P1,P2,P3),其速控步骤活化吉布斯自由能分别为71.6、74.3和83.6kJ·mol-1,是文献报道分子内质子转移所需活化能垒的近三分之一,却均比文献报道-水催化所需活化能垒高.还表明,整体溶剂效应使三水复合物(FU6-3w除外)的偶极矩均增大且质子转移所需活化能垒也相应增大,质子转移反应反而更困难.     

GMM 、PZT和超声变幅杆复合结构磁电换能器研究

将超磁致伸缩材料(GMM)、压电材料(PZT-5H)与超声变幅杆复合,构造了一种新型的磁电换能器.超声变幅杆具有聚能和放大应变的功能,可以数十到数百倍增强换能过程中对压电材料的激励,提高机电换能输出和增强磁电耦合效应.实验表明,在800 Oe偏置磁场和峰峰值为1 Oe交变磁场激励下,谐振点处的磁电耦合电压峰峰值达到498 mV,在负载电阻为2.55 kΩ时,输出功率达到4.08 μW.     

采用复合磁电换能器的振动能量采集器研究

采用Teffenol-D/PZT/Terfenol-D复合磁电换能器,设计了一种新型振动能量采集器.采集器由悬臂梁、磁电换能器和永磁体三部分组成,环境振动引起换能器与永磁体相对运动,使得作用到换能器的磁场变化,变化的磁场引起Tedenol-D产生应变,应变传递到PZT得到电输出.采用等效磁荷理论分析了影响换能器与永磁体相对运动的磁场力;并用林滋泰德-庞加莱法分析了永磁体的非线性运动情况.实验结果表明,在振动激励频率为33 Hz,加速度为0.5 gn时,输出电压峰峰值45.1 V,输出功率112.1μW.     

一种磁电自供电无线传感器电源管理电路研究

针对GMM/PZT磁电复合单元将电磁波能量转化为电能时,其输出电能不足以直接驱动无线传感器的问题,设计了基于开关电容网络的电源管理电路,对其充放电特性进行了理论与实验分析。结果表明,该电路可以对电路中储能电容充电积累能量,当能量积累到一定程度,电容瞬间放电为无线传感器工作供电。     

A novel broadband magnetoelectric antenna

A broadband antenna based on magnetoelectric dipole is proposed. The proposed antenna is composed of a bowtie‐shaped electric dipole and an elliptical ring antenna that works as a magnetic dipole. For a broadband performance, a microstrip‐to‐coplanar stripline transition balun is used to excite the antenna. All of them are printed on the same plane perpendicular to the ground. To validate the design, prototypes of the proposed antenna have been fabricated and measured. The measurement results show that the antenna has a wide impedance bandwidth of 66.7% (2.45–4.90 GHz) for voltage standing wave ratio (VSWR) less than 2 and a gain of 6.0–7.3 dBi over the operating frequency band. Meanwhile a high front‐to back ratio better than 16 dB over the operating frequency is achieved. The agreements between the simulation and measurement results indicate that the proposed antenna is suitable for wireless communication systems and phased array systems. © 2014 Wiley Periodicals, Inc. Int J RF and Microwave CAE 25:213–218, 2015.     

Numerical analysis of layered fiber composites accounting for the onset of delamination

Since delamination is a major failure mode of layered composites, predicting its initiation is essential for the design of composite structures. Evaluating delamination onset criteria based on stress–strength relations requires an accurate representation of the through-the-thickness stress distribution, which is delicate for thin shell-like structures. Therefore, in this paper, a solid-shell finite element is utilized, which allows for incorporating a fully three-dimensional, anisotropic, micro-mechanically motivated material model, still being suited for application to thin structures. Moreover, locking phenomena are cured by using both the enhanced assumed strain (EAS) and the assumed natural strain (ANS) concept, and numerical efficiency is ensured through reduced integration.     

磁电式转速传感器的优化设计

磁电式转速传感器在转速的测量中具有广泛的应用。在实际工程中,当转轴启动时往往会产生一个瞬时的高电压,从而对后续的信号处理电路产生一定的影响。针对上述问题,对原来具有整体圆环结构永磁体的磁电式转速传感器进行了研究。通过使用有限元分析软件Ansoft Maxwell建立具有8片瓦型永磁体结构、量程为20N.m的磁电式转速传感器模型并进行仿真。根据仿真结果得到一种启动时无瞬时高电压的20 N.m磁电式转速传感器的设计方案。同时,设计了磁电式转速传感器的信号处理电路,仿真结果表明:所设计的电路具有很好的实用性。     

多线圈磁电感应的逆压电式FBG磁场传感器

将光纤Bragg光栅(FBG)的传感检测技术、直流发电机内部结构的磁电感应原理及压电陶瓷的逆压电效应相结合,研制了一种多线圈磁电感应的逆压电式FBG磁场传感器.设计中采用多线圈磁电感应,输出电流的变化变小,测量均匀磁场的多线圈磁电感应的逆压电式FBG传感器的灵敏度和准确率都能显著提高.对设计的磁场传感器进行了正反行程的重复性测试,并进行对比分析.测试结果表明:该磁场传感器的灵敏度为0.1128 pm/Gs,迟滞为6.61％FS,重复性误差为6.29 ％FS.     

一种磁电换能器及其能量管理电路研究

设计了一种双弹性基底磁电换能器,实现较宽频带内的交变磁场能量到电能的转换.并设计了电源管理电路,实现长时间内对磁电换能器输出电能的收集,瞬间放电,驱动负载工作.实验表明,这种双弹性基底磁电换能器的磁电响应带宽比单弹性基底的磁电换能器的带宽有所提高.而电源管理电路中的储能超级电容经过一定时间的充电,当其两端电压达到0.5V时,能量瞬间释放电路工作,成功驱动最大功耗为75nlw的无线传感器节点正常工作,工作时长为620ms.     

矿用单轨吊磷酸铁锂电池组复合式分层均衡电路

在矿用单轨吊磷酸铁锂电池组连续的充放电循环中,各单体电池不一致性会导致电池组整体性能衰减、使用寿命缩短,传统电池组均衡方式均衡时间长、控制策略复杂。针对上述问题,在Buck-Boost均衡电路和飞渡电容均衡电路的基础上,提出了一种复合式分层均衡电路。底层和中间层Buck-Boost均衡电路按照二叉树结构构建,顶层飞渡电容均衡电路实现3个相邻电池组之间任意2个电池组的能量传递,使电池不仅能够在层内进行能量传递以实现相邻电池间均衡,还可在层间进行能量传递以实现非相邻电池间均衡。仿真结果表明,复合式分层均衡电路大大缩短了均衡时间,显著提高了电池电压一致性。