振動能量收集裝置的研究

1、 “現(xiàn)代傳感與檢測技術(shù)” 課程學(xué)習(xí)匯報振動能量收集裝置的研究目錄第一章:電磁式振動能量收集裝置31.1振動能量收集裝置3引言3研究現(xiàn)狀31.2電磁式振動能量收集裝置4電磁式能量收集技術(shù)的簡介41.3電磁式振動能量收集裝置的縮放比例和功率密度指標5課題目的5課題具體過程5對實驗數(shù)據(jù)的分析討論6課題結(jié)論7第二章:壓電式振動能量收集裝置82.1壓電式能量收集技術(shù)的簡介82.2以超材料為基礎(chǔ)的能量收集裝置的參數(shù)優(yōu)化研究9課題原理9課題目的9課題具體驗證過程:9課題得出的結(jié)論11第三章:用不同的接口電路比較這兩種形式的能量收集裝置異同123.1課題目的123.2課題實驗過程123.3實驗數(shù)據(jù)分析133.

2、4課題結(jié)論13結(jié)束語14參考文獻14第一章:電磁式振動能量收集裝置1.1振動能量收集裝置1.1.1引言隨著無線和微機電系統(tǒng)技術(shù)日新月異的最新進展，便攜式電子產(chǎn)品和無線傳感器的需求正在迅速增長，從而人們對長壽命電源的需求也越來越強烈。對于傳統(tǒng)意義上的電池，當(dāng)電池沒電時無線傳感器就必須更換電池，但是這一點在有些情況下會變得非常困難。為了解決這個問題，人們對各種能量采集裝置及自供電系統(tǒng)進行的研究在迅速增加。壓電材料是一種獨特的智能材料，在受到環(huán)境振動激勵時會發(fā)生形變，壓電材料的晶格發(fā)生形變，正負電荷的中心產(chǎn)生偏移，使得晶體表面產(chǎn)生電壓，就可以由材料的形變中直接產(chǎn)生電能。太陽能，磁能和熱能等也都可以用

3、于發(fā)電，但是壓電材料與它們相比，有以下幾個優(yōu)點：首先壓電材料可以直接從機械能轉(zhuǎn)換成電能，具有簡易性；其次，與靜電效應(yīng)的轉(zhuǎn)換和電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)換相比，具有更大的能量密度；最后，壓電材料可以制作到很小，因此更具有集成性。1.1.2研究現(xiàn)狀1880年，居里兄弟皮爾(P·Curie)與杰克斯(J·Curie) 發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)(Piezoelectric Effect）。他們發(fā)現(xiàn)，如果對某些晶體材料施加應(yīng)力，使材料產(chǎn)生應(yīng)變，可以使材料產(chǎn)生極化現(xiàn)象且極化程度與應(yīng)力大小成正比。1996年，Williams和Yates等人提出了一種壓電材料的發(fā)電裝置，它可以吸收振動環(huán)境的機械能產(chǎn)生電力。之后，人

4、們對壓電材料各方面進行了比較仔細的研究，設(shè)想出了多種壓電能量收集裝置。1.2電磁式振動能量收集裝置1.2.1電磁式能量收集技術(shù)的簡介 電磁式能量收集技術(shù)是利用法拉第電磁感應(yīng)定律將自然界中大量存在的機械振動能轉(zhuǎn)換為電能的能量收集技術(shù)。由法拉第電磁感應(yīng)定律知，導(dǎo)體線圈回路面積內(nèi)的磁通量中發(fā)生變化時，回路中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并引起感應(yīng)電流從而對外輸出電能，實現(xiàn)機械能轉(zhuǎn)化為電能，根據(jù)該基本工作原理，電磁式能量收集技術(shù)是把外界隨機的機械振動轉(zhuǎn)化為線圈回路或永磁體的運動，實現(xiàn)兩者之間的相對運動，從而使線圈回路內(nèi)磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。電磁式能量收集技術(shù)的模型已經(jīng)比較成熟，而且已被廣泛應(yīng)用在許多能

5、量收集器中，如美國麻省理工學(xué)院,英國南安普頓大學(xué)、日本精工公司，以及國內(nèi)上海交通大學(xué)、重慶大學(xué)等院校開發(fā)的各種類型的電磁式能量收集裝置或微型發(fā)電機等. 目前，大尺寸、性能好的磁鐵、多轉(zhuǎn)數(shù)和大范圍的線圈在大系統(tǒng)中都已得到了實現(xiàn)，但是由于平面磁鐵的性能較差，線圈匝數(shù)受到空間限制，還有振動幅度的限制相應(yīng)地會導(dǎo)致MEMS電磁器件速度的降低，且輸出功率偏小、集成度不高、裝配精度較低，因此電磁式能量收集技術(shù)在MEMS應(yīng)用中仍然是一大挑戰(zhàn)。1.3電磁式振動能量收集裝置的縮放比例和功率密度指標1.3.1課題目的這篇文獻試圖在電磁轉(zhuǎn)換的一些理論基礎(chǔ)上,推測出輸出功率與其他因素的可能的關(guān)系式,然后采集實驗數(shù)據(jù)去驗

6、證并建立電磁能量收集裝置的縮放比例公式, 用伸縮長度,質(zhì)量,頻率和驅(qū)動加速度等來檢驗功率密度指標,然后通過對收集裝置的功率密度上限的觀察,最后根據(jù)這些觀察值來建立縮放比例公式1.3.2課題具體過程通過查閱文獻得到的一些理論公式: 2007年,Arnold等人在Stephen方程式的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展了振動電磁能量收集裝置的縮放比例公式： 且 其中,P為輸出功率,L為檢測長度,V為設(shè)備的體積. ODonnell等人的結(jié)論公式 :Marin等人提出的輸出功率公式為: 考慮到電氣阻尼效應(yīng),假設(shè)電磁能量收集裝置的動作就像粘彈性阻尼器,那么電阻尼的功率為 ,Moss等人根據(jù)假設(shè)提出: 1.3.3對實驗數(shù)據(jù)

7、的分析討論檢測質(zhì)量與縮放長度的關(guān)系 諧振頻率與檢測質(zhì)量的關(guān)系1.3.4課題結(jié)論從這些圖表中我們可以知道:功率密度的上限為諧振頻率的平方,這表明我們在之前做的一個假設(shè)是有缺陷的,即電氣阻尼系數(shù)不適用于一個大范圍的縮放長度因此我們根據(jù)前面的整理的實驗數(shù)據(jù)重新修正電氣阻尼系數(shù),從而得出這樣一個最大輸出功率與有效體積以及諧振頻率的關(guān)系式:這個方程式是通過對實驗數(shù)據(jù)觀察而得出的一個經(jīng)驗公式，通過這個公式,我們可以用電磁能量收集裝置的有效體積進行預(yù)測輸出的最大峰值功率.從而為提高電磁能量收集裝置的最大輸出電壓提供了理論基礎(chǔ) 第二章:壓電式振動能量收集裝置2.1壓電式能量收集技術(shù)的簡介壓電式能量收集技術(shù)的機

8、理是基于壓電材料的正壓電效應(yīng)把振動能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)受到某固定方向外力作用時，壓電材料會產(chǎn)生形變，內(nèi)部產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時在兩個表面上產(chǎn)生等量異號的束縛電荷，電荷的面密度與所受外力的大小成正比，當(dāng)外力撤去后，又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，當(dāng)外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變，由此將機械振動能轉(zhuǎn)換為電能。 壓電材料是壓電式振動能量收集的核心功能材料，是制備壓電式能量收集裝置的關(guān)鍵。目前，已經(jīng)有很多不同的壓電材料被廣泛用作壓電式能量收集裝置的轉(zhuǎn)換材料，常用的壓電材料主要有PZT壓電陶瓷、壓電聚合物和壓電復(fù)合材料。其中，最常用的壓電材料是錯欽酸鉛，雖然PZT應(yīng)用最為廣泛，但由于PZT易碎的特性，即不能承

9、受大應(yīng)變，使PZT壓電片在壓電能量收集器的應(yīng)用受限,此外，在高頻周期載荷作用下，壓電陶瓷極易產(chǎn)生疲勞裂紋，發(fā)生脆性斷裂，因此在實際應(yīng)用中，通常將其粘貼在振動提取機械結(jié)構(gòu)上.2.2以超材料為基礎(chǔ)的能量收集裝置的參數(shù)優(yōu)化研究2.2.1課題原理原理圖高度非線性孤波(HNSWs)是在非線性介質(zhì)中傳播的緊密非色散波.我們利用非線性孤波在超材料中的傳播來收集能量. 當(dāng)這種波沿著每一條鏈傳播,透過非線性固體介質(zhì)時, 聲能的一部分折射到固體結(jié)點d處。這里，晶片型換能器PZT使之聚焦在一點處并轉(zhuǎn)換成電勢。 2.2.2課題目的在本文提出的研究中，我們優(yōu)化一些能量收集裝置的參數(shù),目的是為了使它能夠產(chǎn)生的電功率最大。

10、 結(jié)果表明，如果我們適當(dāng)改變設(shè)備參數(shù)，如“材料和尺寸，振蕩器瞬時速度，以及增加固體模量，通過對這幾個參數(shù)大小的調(diào)整，可收獲相應(yīng)大小的功率能量2.2.3課題具體驗證過程:推導(dǎo)出來的比較重要的公式 通過用不同的材料分別對壓電性能進行測量,采集數(shù)據(jù)并繪成圖表如下:實驗數(shù)據(jù)圖表2.2.4課題得出的結(jié)論(1).這種使用超材料的能量收集裝置是可行的,是可以產(chǎn)生電能的 (2).金屬材料由于其機械損耗低,聲衰減較小,所以發(fā)電性能要比高分子材料好. (3).當(dāng)電阻值與換能器的阻抗值相近時,發(fā)電效果更佳 (4).當(dāng)波的頻率接近換能器諧振頻率時, 輸出功率最大. (5).參數(shù)優(yōu)化后的能量收集裝置產(chǎn)生的功率要比優(yōu)化前

11、收集到的功率高幾個數(shù)量級 第三章:用不同的接口電路比較這兩種形式的能量收集裝置異同 3.1課題目的 前面我們分別講了兩種不同的振動能量收集裝置,兩者的工作也都是為了使輸出的電能最多,那壓電式和電磁式振動能量收集裝置哪個收集能量的效率更高一些呢? 接下來我們就通過用不同的接口電路來比較壓電和電磁式能量收集裝置異同,前面已經(jīng)用四個不同的接口電路分析了單自由度振動能量收集裝置。分別對電磁和壓電能量收集裝置性能特點進行了分析和比較。主要研究發(fā)現(xiàn)分別連接到不同的接口電路時壓電式和電磁式具有相似性和對偶性。本文旨在提供一種新的方法,用最好的接口電路來鑒定兩種振動能量收集裝置的最穩(wěn)定性能. 3.2課題實驗過

12、程兩種形式的接口電路圖3.3實驗數(shù)據(jù)分析3.4課題結(jié)論1.當(dāng)無量綱負載電阻大于1的時候,壓電振動能量收集裝置收集效率比電磁式高. 2.當(dāng)無量綱負載電阻在大于0.3小于0.8,在特定的范圍內(nèi),電磁式振動能量收集裝置收集效率比壓電式高. 3.單一負載這種接口電路最有利于振動能量收集裝置收集能量. 結(jié)束語 用于無線電通訊與微機電系統(tǒng)的振動式能量收集裝置的概念提出至今已經(jīng)好多年。目前相對來說電磁式和壓電式這兩種能量收集裝置的研究相對較多，盡管如此，電磁式和壓電式能量收集裝置的基礎(chǔ)原理和仿真模型還在不斷得到完善和改進，新的結(jié)構(gòu)也在不斷提出，將來更多的研究工作應(yīng)著力于對能量收集裝置的仿真模型進行改進，進而

13、針對具體應(yīng)用場合對能量收集裝置的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，提高其各項性能指標，從而使其更快地得到實際應(yīng)用。具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，有廣闊的應(yīng)用前景.參考文獻1Kaiyuan Li, Piervincenzo Rizzo and Abdollah Bagheri. A parametric study on the optimization of ametamaterial-based energy harvester.J Smart Mater. Struct. 24 (2015) 115019 (11pp)2 Xu Wang, Xingyu Liang , Zhiyong Hao , Haipin

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15、Scaling and power density metrics of electromagnetic vibration energy harvesting devices J. Smart Mater. Struct. 24 (2015) 023001 (14pp)4 Robert Bogue.Consultant, Okehampton, UK. Energy harvesting: a review of recent developments.J 35/1 (2015) 15© Emerald Group Publishing Limited ISSN 0260-22885 K A Cook-Chennault , N Thambi and A M Sastry. Powering MEMS portable devicesa review of non-regenerative and regenerative power supply systems with spec