振动能量收集装置的研究

“现代传感与检测技术”课程学习汇报振动能量收集装置的研究

目录

第一章:电磁式振动能量收集装置 (3)

1.1振动能量收集装置 (3)

1.1.1引言 (3)

1.1.2研究现状 (3)

1.2电磁式振动能量收集装置 (4)

1.2.1电磁式能量收集技术的简介 (4)

1.3电磁式振动能量收集装置的缩放比例和功率密度指标 (5)

1.3.1课题目的 (5)

1.3.2课题具体过程 (5)

1.3.3对实验数据的分析讨论 (6)

1.3.4课题结论 (7)

第二章:压电式振动能量收集装置 (8)

2.1压电式能量收集技术的简介 (8)

2.2以超材料为基础的能量收集装置的参数优化研究 (9)

2.2.1课题原理 (9)

2.2.2课题目的 (9)

2.2.3课题具体验证过程: (9)

2.2.4课题得出的结论 (11)

第三章:用不同的接口电路比较这两种形式的能量收集装置异同 (12)

3.1课题目的 (12)

3.2课题实验过程 (12)

3.3实验数据分析 (13)

3.4课题结论 (13)

结束语 (14)

参考文献 (14)

第一章:电磁式振动能量收集装置

1.1振动能量收集装置

1.1.1引言

随着无线和微机电系统技术日新月异的最新进展，便携式电子产品和无线传感器的需求正在迅速增长，从而人们对长寿命电源的需求也越来越强烈。对于传统意义上的电池，当电池没电时无线传感器就必须更换电池，但是这一点在有些情况下会变得非常困难。为了解决这个问题，人们对各种能量采集装置及自供电系统进行的研究在迅速增加。

压电材料是一种独特的智能材料，在受到环境振动激励时会发生形变，压电材料的晶格发生形变，正负电荷的中心产生偏移，使得晶体表面产生电压，就可以由材料的形变中直接产生电能。

太阳能，磁能和热能等也都可以用于发电，但是压电材料与它们相比，有以下几个优点：首先压电材料可以直接从机械能转换成电能，具有简易性；其次，与静电效应的转换和电磁感应转换相比，具有更大的能量密度；最后，压电材料可以制作到很小，因此更具有集成性。

1.1.2研究现状

1880年，居里兄弟皮尔(P·Curie)与杰克斯(J·Curie)发现了压电效应(Piezoelectric Effect）。他们发现，如果对某些晶体材料施加应力，使材料产生应变，可以使材料产生极化现象且极化程度与应力大小成正比。

1996年，Williams和Yates等人提出了一种压电材料的发电装置，它可以吸收振动环境的机械能产生电力。

之后，人们对压电材料各方面进行了比较仔细的研究，设想出了多种压电能量收集装置。

1.2电磁式振动能量收集装置

1.2.1电磁式能量收集技术的简介

电磁式能量收集技术是利用法拉第电磁感应定律将自然界中大量存在的机械振动能转换为电能的能量收集技术。由法拉第电磁感应定律知，导体线圈回路面积内的磁通量中发生变化时，回路中就会产生感应电动势，并引起感应电流从而对外输出电能，实现机械能转化为电能，

根据该基本工作原理，电磁式能量收集技术是把外界随机的机械振动转化为线圈回路或永磁体的运动，实现两者之间的相对运动，从而使线圈回路内磁通量发生变化，产生感应电动势。

电磁式能量收集技术的模型已经比较成熟，而且已被广泛应用在许多能量收集器中，如美国麻省理工学院,英国南安普顿大学、日本精工公司，以及国内上海交通大学、重庆大学等院校开发的各种类型的电磁式能量收集装置或微型发电机等.

目前，大尺寸、性能好的磁铁、多转数和大范围的线圈在大系统中都已得到了实现，但是由于平面磁铁的性能较差，线圈匝数受到空间限制，还有振动幅度的限制相应地会导致MEMS电磁器件速度的降低，且输出功率偏小、集成度不高、装配精度较低，因此电磁式能量收集技术在MEMS应用中仍然是一大挑战。

1.3电磁式振动能量收集装置的缩放比例和功率密度指标 1.3.1课题目的

这篇文献试图在电磁转换的一些理论基础上,推测出输出功率与其他因素的可能的关系式,然后采集实验数据去验证并建立电磁能量收集装置的缩放比例公式, 用伸缩长度,质量,频率和驱动加速度等来检验功率密度指标,然后通过对收集装置的功率密度上限的观察,最后根据这些观察值来建立缩放比例公式

1.3.2课题具体过程

通过查阅文献得到的一些理论公式:

20

,

8e

oc

r

ma

P Q ω=

32

,

e

MAX

P YZ

m ωπ

=

3max

,4

L

C

r

MAX

loadav L

C R R

m YZ

P

R R

ω??- ?=

?

+??

2007年,Arnold 等人在Stephen 方程式的基础上进一步发展了振动电磁能量收集装置的缩放比例公式：

520

~,

P L a forL →∞

且

720

~0,

P L a forL →

其中,P 为输出功率,L 为检测长度,V 为设备的体积. O ’Donnell 等人的结论公式 :

4~.

OC

P L forQ

→∞

Marin 等人提出的输出功率公式为:

考虑到电气阻尼效应,假设电磁能量收集装置的动作就像粘弹性阻尼器,那

么电阻尼的功率为

,Moss 等人根据假设提出:

1.3.3对实验数据的分析讨论

检测质量与缩放长度的关系 谐振频率与检测质量的关系

6~.

P L 212E E

P v μ=23~,

r

P kf L

1.3.4课题结论

从这些图表中我们可以知道:功率密度的上限为谐振频率的平方,这表明我们在之前做的一个假设是有缺陷的,即电气阻尼系数不适用于一个大范围的缩放长度因此我们根据前面的整理的实验数据重新修正电气阻尼系数,从而得出这样一个最大输出功率与有效体积以及谐振频率的关系式:

这个方程式是通过对实验数据观察而得出的一个经验公式，通过这个公式,我们可以用电磁能量收集装置的有效体积进行预测输出的最大峰值功率.

从而为提高电磁能量收集装置的最大输出电压提供了理论基础

622

1.910,

MAX

r

P

V f -=?

第二章:压电式振动能量收集装置

2.1压电式能量收集技术的简介

压电式能量收集技术的机理是基于压电材料的正压电效应把振动能转化为电能。当受到某固定方向外力作用时，压电材料会产生形变，内部产生电极化现象，同时在两个表面上产生等量异号的束缚电荷，电荷的面密度与所受外力的大小成正比，当外力撤去后，又恢复到不带电的状态，当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变，由此将机械振动能转换为电能。

压电材料是压电式振动能量收集的核心功能材料，是制备压电式能量收集装置的关键。目前，已经有很多不同的压电材料被广泛用作压电式能量收集装置的转换材料，常用的压电材料主要有PZT压电陶瓷、压电聚合物和压电复合材料。其中，最常用的压电材料是错钦酸铅，虽然PZT应用最为广泛，但由于PZT 易碎的特性，即不能承受大应变，使PZT压电片在压电能量收集器的应用受限,此外，在高频周期载荷作用下，压电陶瓷极易产生疲劳裂纹，发生脆性断裂，因此在实际应用中，通常将其粘贴在振动提取机械结构上.

2.2以超材料为基础的能量收集装置的参数优化研究 2.2.1课题原理

原理图

高度非线性孤波(HNSWs)是在非线性介质中传播的紧密非色散波.我们利用非线性孤波在超材料中的传播来收集能量. 当这种波沿着每一条链传播,透过非线性固体介质时, 声能的一部分折射到固体结点d 处。这里，晶片型换能器PZT 使之聚焦在一点处并转换成电势。

2.2.2课题目的

在本文提出的研究中，我们优化一些能量收集装置的参数,目的是为了使它能够产生的电功率最大。 结果表明，如果我们适当改变设备参数，如“材料和尺寸，振荡器瞬时速度，以及增加固体模量，通过对这几个参数大小的调整，可收获相应大小的功率能量

2.2.3课题具体验证过程:

推导出来的比较重要的公式

2

2a a PZT

v v C ω

通过用不同的材料分别对压电性能进行测量,采集数据并绘成图表如下:

实验数据图表

2.2.4课题得出的结论

(1).这种使用超材料的能量收集装置是可行的,是可以产生电能的

(2).金属材料由于其机械损耗低,声衰减较小,所以发电性能要比高分子材料好.

(3).当电阻值与换能器的阻抗值相近时,发电效果更佳

(4).当波的频率接近换能器谐振频率时, 输出功率最大.

(5).参数优化后的能量收集装置产生的功率要比优化前收集到的功率高几个数量级

第三章:用不同的接口电路比较这两种形式的能量收集装置异同3.1课题目的

前面我们分别讲了两种不同的振动能量收集装置,两者的工作也都是为了使输出的电能最多,那压电式和电磁式振动能量收集装置哪个收集能量的效率更高一些呢?

接下来我们就通过用不同的接口电路来比较压电和电磁式能量收集装置异同,前面已经用四个不同的接口电路分析了单自由度振动能量收集装置。分别对电磁和压电能量收集装置性能特点进行了分析和比较。主要研究发现分别连接到不同的接口电路时压电式和电磁式具有相似性和对偶性。本文旨在提供一种新的方法,用最好的接口电路来鉴定两种振动能量收集装置的最稳定性能.

3.2课题实验过程

两种形式的接口电路图

3.3实验数据分析

3.4课题结论

1.当无量纲负载电阻大于1的时候,压电振动能量收集装置收集效率比电磁式高.

2.当无量纲负载电阻在大于0.3小于0.8,在特定的范围内,电磁式振动能量收集装置收集效率比压电式高.

3.单一负载这种接口电路最有利于振动能量收集装置收集能量.

结束语

用于无线电通讯与微机电系统的振动式能量收集装置的概念提出至今

已经好多年。目前相对来说电磁式和压电式这两种能量收集装置的研究相对较多，尽管如此，电磁式和压电式能量收集装置的基础原理和仿真模型还在不断得到完善和改进，新的结构也在不断提出，将来更多的研究工作应着力于对能量收集装置的仿真模型进行改进，进而针对具体应用场合对能量收集装置的结构和参数进行优化设计，提高其各项性能指标，从而使其更快地得到实际应用。具有巨大的发展潜力，有广阔的应用前景.

参考文献

[1]Kaiyuan 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 , Haiping Du , Nong Zhang e,Ma Qian. Comparison of electromagnetic and piezoelectric vibration energy harvesters with different interface circuits [J]. Received 13 April 2015.Received in revised form 22 September 2015.Accepted 11 October 2015

[3] Scott D Moss , Owen R Payne , Genevieve A Hart and Chandarin Ung. Scaling and power density metrics of electromagnetic vibration energy harvesting devices [J]. Smart Mater. Struct. 24 (2015) 023001 (14pp)

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[5] K A Cook-Chennault , N Thambi and A M Sastry. Powering MEMS portable devices—a review of non-regenerative and regenerative power supply systems with special emphasis on piezoelectric energy harvesting systems[J] Smart Mater. Struct.

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[6] M H Ansari and M Amin Karami. Energy harvesting from controlled buckling