振動(dòng)能量收集裝置的研究

1、“現(xiàn)代傳感與檢測(cè)技術(shù)”課程學(xué)習(xí)匯報(bào)振動(dòng)能量收集裝置的研究目錄第一章：電磁式振動(dòng)能量收集裝置31.1 振動(dòng)能量收集裝置 引言 研究現(xiàn)狀3.1.2 電磁式振動(dòng)能量收集裝置 電磁式能量收集技術(shù)的簡(jiǎn)介41.3 電磁式振動(dòng)能量收集裝置的縮放比例和功率密度指標(biāo)51.3.1 課題目的 課題具體過(guò)程 對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)白分析討論61.3.4 課題結(jié)論7.第二章:壓電式振動(dòng)能量收集裝置8.2.1 壓電式能量收集技術(shù)的簡(jiǎn)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92.2.1 課題原理 課題目的 課題具體驗(yàn)證過(guò)程：

2、92.2.4 課題得出的結(jié)論1.1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1.23.2 課題實(shí)驗(yàn)過(guò)程123.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析133.4 課題結(jié)論1.33.5 143.6 獻(xiàn)14第一章：電磁式振動(dòng)能量收集裝置1.1 振動(dòng)能量收集裝置1.1.1 引言隨著無(wú)線和微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)日新月異的最新進(jìn)展，便攜式電子產(chǎn)品和無(wú)線傳感器的需求正在迅速增長(zhǎng)，從而人們對(duì)長(zhǎng)壽命電源的需求也越來(lái)越強(qiáng)烈。對(duì)于傳統(tǒng)意義上的電池，當(dāng)電池沒(méi)電時(shí)無(wú)線傳感器就必須更換電池，但是這一點(diǎn)在有些情況下會(huì)變得非常困難。為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們對(duì)各種能量采集裝置及自供電系統(tǒng)進(jìn)行的研究在迅速增加。壓電材料是一種獨(dú)

3、特的智能材料，在受到環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)時(shí)會(huì)發(fā)生形變，壓電材料的晶格發(fā)生形變，正負(fù)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(yáng)能，磁能和熱能等也都可以用于發(fā)電，但是壓電材料與它們相比，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：首先壓電材料可以直接從機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，具有簡(jiǎn)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(PCurie)與杰克斯(JCurie)發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)(PiezoelectricEffect)。他們發(fā)現(xiàn)，如果對(duì)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

4、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(dòng)環(huán)境的機(jī)械能產(chǎn)生電力。之后，人們對(duì)壓電材料各方面進(jìn)行了比較仔細(xì)的研究，設(shè)想出了多種壓電能量收集裝置。振動(dòng)能量收集裝置電磁式（導(dǎo)線切割磁感線產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)）壓電式（壓電材料在受外界作用晶格發(fā)生形變會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)）-靜電式（改變電容來(lái)產(chǎn)生電能）1.2 電磁式振動(dòng)能量收集裝置1.2.1 電磁式能量收集技術(shù)的簡(jiǎn)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(jī)械振動(dòng)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(shí)，回路中就會(huì)產(chǎn)生感

5、應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并引起感應(yīng)電流從而對(duì)外輸出電能，實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jī)的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為線圈回路或永磁體的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)兩者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(dòng)勢(shì)。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)用在許多能量收集器中，如美國(guó)麻省理工學(xué)院，英國(guó)南安普頓大學(xué)、日本精工公司，以及國(guó)內(nèi)上海交通大學(xué)、重慶大學(xué)等院校開(kāi)發(fā)的各種類(lèi)型的電磁式能量收集裝置或微型發(fā)電機(jī)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(shí)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(dòng)幅度的限制相應(yīng)地會(huì)導(dǎo)致MEM也

6、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MEM制用中仍然是一大挑戰(zhàn)。1.3 電磁式振動(dòng)能量收集裝置的縮放比例和功率密度指標(biāo)1.3.1 課題目的這篇文獻(xiàn)試圖在電磁轉(zhuǎn)換的一些理論基礎(chǔ)上，推測(cè)出輸出功率與其他因素的可能的關(guān)系式，然后采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)去驗(yàn)證并建立電磁能量收集裝置的縮放比例公式，用伸縮長(zhǎng)度，質(zhì)量,頻率和驅(qū)動(dòng)加速度等來(lái)檢驗(yàn)功率密度指標(biāo)，然后通過(guò)對(duì)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(lái)建立縮放比例公式1.3.2 課題具體過(guò)程通過(guò)查閱文獻(xiàn)得到的一些理論公式Qocma028rP=YZMAX3m,Ploadavmaxm3YZ_rMAX一4RL-R

7、CRLRC2007年,Arnold等人在Stephen方程式的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展了振動(dòng)電磁能量收集裝置的縮放比例公式：PL5a2forL'，0，且PL7a2forL>0,0，其中,P為輸出功率,L為檢測(cè)長(zhǎng)度,V為設(shè)備的體積.O'Donnell等人的結(jié)論公式：P-L4forQ，二OCMarin等人提出的輸出功率公式為PL6.考慮到電氣阻尼效應(yīng)，假設(shè)電磁能量收集裝置的動(dòng)作就像粘彈性阻尼器，那么電阻尼的功率為PE=%NEv2,Moss等人根據(jù)假設(shè)提出：Pkf2L3,r1.3.3 對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析討論J94-2J4101010101010io10"1010ioio-3io

8、J10wio10ProofMass(kg)d1?_14ooooO4141(N工)AoUBnBUJLl.JUBUCfmoBScalingLengthL(cm)檢測(cè)質(zhì)量與縮放長(zhǎng)度的關(guān)系諧振頻率與檢測(cè)質(zhì)量的關(guān)系(a)CZH.EWM)巨su名ScalingLength(cm)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?cè)谥白龅囊粋€(gè)假設(shè)是有缺陷的，即電氣阻尼系數(shù)不適用于一個(gè)大范圍的縮放長(zhǎng)度因此我們根據(jù)前面的整理的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重新修正電氣阻尼系數(shù)，從而得出這樣一個(gè)最大輸出功率與有效體積以及諧振頻率的關(guān)系式：P=1.910"2f2,MAXr,這個(gè)方程式是通

9、過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)觀察而得出的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，通過(guò)這個(gè)公式我們可以用電磁能量收集裝置的有效體積進(jìn)行預(yù)測(cè)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(dòng)能量收集裝置2.1 壓電式能量收集技術(shù)的簡(jiǎn)介壓電式能量收集技術(shù)的機(jī)理是基于壓電材料的正壓電效應(yīng)把振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)受到某固定方向外力作用時(shí)，壓電材料會(huì)產(chǎn)生形變，內(nèi)部產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時(shí)在兩個(gè)表面上產(chǎn)生等量異號(hào)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(shí)，電荷的極性也隨之改變，由此將機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。壓電材料是壓電式振動(dòng)能量收集的核心功能材料，是制

10、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(cuò)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(shí)際應(yīng)用中，通常將其粘貼在振動(dòng)提取機(jī)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a|C)StrikersSupportInlcrlacJnSupport原理圖高度非線性孤波（HNSWs）是在

11、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(lái)收集能量.當(dāng)這種波沿著每一條鏈傳播，透過(guò)非線性固體介質(zhì)時(shí),聲能的一部分折射到固體結(jié)點(diǎn)d處。這里，晶片型換能器PZT使之聚焦在一點(diǎn)處并轉(zhuǎn)換成電勢(shì)。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。結(jié)果表明，如果我們適當(dāng)改變?cè)O(shè)備參數(shù)，如“材料和尺寸，振蕩器瞬時(shí)速度，以及增加固體模量，通過(guò)對(duì)這幾個(gè)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(yàn)證過(guò)程：推導(dǎo)出來(lái)的比較重要的公式Pmax一2vaR2'optima2(Roptimal+Zpzt)2VaCpzt通

12、過(guò)用不同的材料分別對(duì)壓電性能進(jìn)行測(cè)量，采集數(shù)據(jù)并繪成圖表如下AIurninumSlainlgshc3id4bertdTitaniumTungmlenbradhrnd上.64J0也00,。0LHU0sdu5££uoIn&noKMJedu25io1iucIO1建15Do86Jo1s.mn.uuLsfE.二odwa*受白FreePZTi#IO'ItTLudidlDtELStQTHlI£2)lnwn-二丁5二二0.0j.1.101010IflLundicsiiSluT!U)，E二口U5三V玉L£Dooo0sQ344(MaJMns-ns皆MCCLJ

13、64JD.o.mo.-I1二And-Kojls二鼠1/|小爾i.-nadrcszstuT!上FixedPZTicr1Wio*i/LeadrcMslorCkIO11/10*】?Lt-jdfesislctf|£11嚀10s10*IyLoadnrfislof|立IoDoUS05(MEjwdwGJ口孑UICL.實(shí)驗(yàn)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(jī)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(shí)，發(fā)電效果更佳(4) .當(dāng)波的頻率接近換能器諧振頻率時(shí)，輸出功率最

14、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)化前收集到的功率高幾個(gè)數(shù)量級(jí)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(dòng)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(dòng)能量收集裝置哪個(gè)收集能量的效率更高一些呢？接下來(lái)我們就通過(guò)用不同的接口電路來(lái)比較壓電和電磁式能量收集裝置異同,前面已經(jīng)用四個(gè)不同的接口電路分析了單自由度振動(dòng)能量收集裝置。分別對(duì)電磁和壓電能量收集裝置性能特點(diǎn)進(jìn)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(shí)壓電式和電磁式具有相似性和對(duì)偶性。本文旨在提供一種新的方法，用最好的接口電路來(lái)鑒定

15、兩種振動(dòng)能量收集裝置的最穩(wěn)定性能.3.2 課題實(shí)驗(yàn)過(guò)程兩種形式的接口電路圖3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析3.4 課題結(jié)論1 .當(dāng)無(wú)量綱負(fù)載電阻大于1的時(shí)候，壓電振動(dòng)能量收集裝置收集效率比電磁式高.2 .當(dāng)無(wú)量綱負(fù)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(dòng)能量收集裝置收集效率比壓電式高.3 .單一負(fù)載這種接口電路最有利于振動(dòng)能量收集裝置收集能量.結(jié)束語(yǔ)用于無(wú)線電通訊與微機(jī)電系統(tǒng)的振動(dòng)式能量收集裝置的概念提出至今已經(jīng)好多年。目前相對(duì)來(lái)說(shuō)電磁式和壓電式這兩種能量收集裝置的研究相對(duì)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(jìn)，新的結(jié)構(gòu)也在不斷提出，將來(lái)更多的

16、研究工作應(yīng)著力于對(duì)能量收集裝置的仿真模型進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)而針對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)能量收集裝置的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高其各項(xiàng)性能指標(biāo)，從而使其更快地得到實(shí)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(xiàn)1KaiyuanLi,PiervincenzoRizzoandAbdollahBagheri.Aparametricstudyontheoptimizationofametamaterial-basedenergyharvester.JSmartMater.Struct.24(2015)115019(11PP)2 XuWang,XingyuLiang,ZhiyongHao,HaipingDu,

17、NongZhange,MaQian.ComparisonofelectromagneticandpiezoelectricvibrationenergyharvesterswithdifferentinterfacecircuitsJ.Received13April2015.Receivedinrevisedform22September2015.Accepted11October20153 ScottDMoss,OwenRPayne,GenevieveAHartandChandarinUng.ScalingandpowerdensitymetricsofelectromagneticvibrationenergyharvestingdevicesJ.SmartMater.Struct.24(2015)023001(14pp)4 RobertBogue.Consultant,Okehampton,UK.Energyharvesting:areviewofrecentdevelopments.J35/1(2015)15?EmeraldGroupPublishingLimitedISSN0260-22885 KACook-Chennault,NThambiandAMSastry.PoweringMEMSportabled