基于压电材料的振动能量收集试验研究_任思源
基于压电陶瓷的人体踩压能量收集及利用装置
基于压电陶瓷的人体踩压能量收集及利用装置摘要：压电陶瓷经过人或车辆踩压发出微弱不稳定交流电，根据此特点制作了基于压电陶瓷的人体踩压能量收集及利用装置，此装置包括储能和利用两部分。
在储能方面，设计了能量收集模块，把压电陶瓷发出的交流电整流后存入超级电容中。
在能量利用方面，此装置实现了多种利用方式：可通过USB接口为多种设备供电，可取代火车站的手机加油站等；作为夜晚楼道感应灯，结合设计的震动模块和可编程定时器，实现人来灯亮人走灯灭的功能。
整体结构由亚克力板支撑，节约了制造成本且耐用性好。
本作品实现了对闲置的踩压能量的储存和低成本利用，节约能源，为当今人们的低碳生活提供了新的理念，具有广阔的应用前景。
关键词：压电陶瓷；亚克力板；能量收集模块；超级电容；震动模块；定时器1 作品设计背景随着对绿色能源的不断开发与利用，压电陶瓷越来越受到人们的关注。
日、美、欧等发达国家对于压电发电自助供电系统已经进行了多年研究。
2006年至2009年期间，日本旅客铁道株式会社在东京火车站进行过三次“发电地板”试验。
2010年上海世博会上，日本馆展示了压电发电地板。
同样，以色列技术研究院也在普通路面的沥青中植入大量的压电晶体，通过汽车驶过时的压力转换来发电。
国内对压电陶瓷的应用还停留在点火装置、仪表测量等方面。
由于其发出的电能具有微弱、不稳定、波动大、难收集的特点，发电潜能的研究还处在初级阶段。
即使有些产品利用其发电，也只是即发即用，未实现储存功能，这在很大程度上限制了它的发展。
本作品在其基础上进行了实验研究和模型制作。
2 系统总体设计系统的功能规划：（1）将压电陶瓷发出的高电压、低电流、不连续、波动大的电能进行整流处理，变为稳定电流，存入超级电容。
（2）给手机等小功率电器供电。
（3）利用人体踩压的能量来用于楼道照明，并实现人来灯亮人走灯灭的功能。
根据实际情况以及方案构想，我们所设计的装置运作图如下：2.1 压力发电模块设计本装置利用的是正压电效应，当对压电材料施加外力产生变形时，会引起材料内部正负电荷中心发生相对位移而产生电的极化，从而导致材料两个表面上出现符号相反的束缚电荷，而且电荷密度与外力成正比。
微型压电式振动能量采集器原理及试验
微型压电式振动能量采集器原理及试验于雪峤;冀文浩;杜玮;金鑫;代圣;杨双疆【期刊名称】《林业机械与木工设备》【年(卷),期】2012(000)010【摘要】压电陶瓷在自供电方面具有广阔的应用前景，自供电方式具有结构简单、无污染、能量密度大、易于加工等特点。
分析了压电材料的性能、种类以及压电效应产生的原理，介绍了现行振动能量采集器的类型。
% Piezoelectric ceramic has a wide application prospect in self power supply, which features a simple structure, no pollution, high energy density and easy manufacturing. The performance and type of piezoelectric materials and the principle of piezoelectric effect are analyzed, with the types of existing vibration energy collectors listed.【总页数】3页(P29-31)【作者】于雪峤;冀文浩;杜玮;金鑫;代圣;杨双疆【作者单位】东北林业大学交通学院,黑龙江哈尔滨150040;东北林业大学交通学院,黑龙江哈尔滨150040;东北林业大学交通学院,黑龙江哈尔滨150040;东北林业大学交通学院,黑龙江哈尔滨150040;东北林业大学交通学院,黑龙江哈尔滨150040;东北林业大学交通学院,黑龙江哈尔滨150040【正文语种】中文【中图分类】TN712【相关文献】1.两自由度压电式轨道振动能量采集器 [J], 杨沥; 袁天辰; 杨俭; 孔令强2.采用弯曲梁的压电式多方向宽频振动能量采集器 [J], 陈旺; 代显智; 张章; 王旭明; 朱艳生3.基于压电式能量转换的微型振动能量采集器在物联网轨道交通中的应用 [J], 闫泽涛; 王学东4.多方向宽频带压电式振动能量采集器研究进展 [J], 陈仁文;任龙;夏桦康;王昊5.低频压电式MEMS振动能量采集器研究 [J], 李光耀;王晓蕾;杨杰因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
压电振动能量收集装置研究现状及发展趋势_刘祥建
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电池能量密度较低、 寿命有限， 因此， 如何实现微机电 系统器件长时间的供能已成为人们亟待解决的问题。 振动作为自然界常见的现象， 由于其几乎无处不在且 具有较高的能量密度
［2 ］
， 因此对振动能量的转化及其
收集利用的研究在近几十年逐步兴起 。 目前， 用于实现振动能量收集的装置种类是繁多 有电磁式收集装置 的， 式收集装置
［6 － 19 ］ ［3 － 4 ］ ［5 ］ 、 静电式收集装置 及压电
缺陷将表现得更加明显。 尽管人们运用微机电系统工 艺研制了相应的微能源器件， 比如微太阳能电池、 微锂 电池及燃料电池等， 微太阳能电池虽然可以实现长期 供能， 但其受天气、 应用场合所限制， 而锂电池及燃料
等， 其中以压电式收集装置的研究为
Current situation and developing trend of piezoelectric vibration energy harvesters LIU Xiangjian，CHEN Renwen
（ Aeronautics Science Key Laboratory for Smart Materials ＆ Structures， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016 ，China）
最多。因为与其它能量收集装置相比， 压电式装置具 有结构简单、 不发热、 无电磁干扰、 清洁环保和易于微 型化等诸多优点。随着对基于压电材料的振动能量收 集装置研究的广泛展开， 出现了各种各样的压电发电 Cymbal 结构、 装置， 如悬臂梁单晶 / 双晶结构、 叠堆形结 构等。 本文介绍目前振动能量收集常用的压电材料， 并
压电材料在能量收集中的应用
压电材料在能量收集中的应用压电材料是一类特殊的晶体材料，具有压电效应，即在受到机械应力作用时会产生电荷分离现象。
压电材料由于其独特的性质被广泛应用于能量收集领域，可以将机械能转化为电能，实现能量的收集和存储。
本文将以压电材料在能量收集中的应用为主题展开讨论。
首先，压电材料在振动能量收集中的应用已经取得了重要的突破。
人体行走、机动车行驶等活动都会产生振动能量，而利用压电材料可以将这种振动能量转化为电能。
目前，压电发电器已经成功应用于振动能量收集装置中，可以将机械振动转化为电能进行收集和存储。
这种方法不仅可以为小型电子设备提供便携式、绿色的电源，还可以应用于建筑物、桥梁等大型结构的健康监测和智能化管理。
其次，压电材料在环境能量收集中也有着广阔的应用前景。
环境中存在着丰富的能量资源，如光能、热能和机械能等，而压电材料可以将这些能量转化为电能进行收集。
例如，压电太阳能电池可以将光能转化为电能，实现太阳能的高效利用；压电热能收集装置可以将温度差转化为电能，为低温发电提供了新的思路。
此外，利用压电材料将环境噪声转化为电能也成为研究的热点，这为城市环境能量的收集和利用提供了新的途径。
除了振动和环境能量收集外，压电材料还在海洋能量收集、机械能量收集和生物能量收集等方面展现了其独特价值。
海洋中的潮汐、波浪和水流等能量被广泛认为是一种无限的清洁能源，而利用压电材料可以将这些能量转化为电能，实现海洋能源的高效利用。
此外，利用压电材料收集机械能量有望应用于车辆行驶过程中的能量回收和储存系统，提高能源利用效率。
压电材料还可以应用于生物体内能量的收集和传感，为生物医学研究和医疗设备提供新的可能性。
虽然压电材料在能量收集中的应用具有很大的潜力，但目前还存在一些挑战和问题需要解决。
首先，压电材料的效率和稳定性需要进一步提高，以提高能量收集的效率和可靠性。
其次，压电材料的制备成本较高，需要进一步优化工艺和改进材料的制备方法，降低制造成本。
压电能量收集技术的研究现状与发展趋势
压电能量收集技术的研究现状与发展趋势
徐诗友;吴晟霖;庞珊;王如意
【期刊名称】《微纳电子技术》
【年(卷),期】2024(61)2
【摘要】综述了压电能量收集技术的国内外发展现状,从压电材料、机械结构和电路设计等方面的研究动态和进展进行了分类和阐述。
重点分析了压电能量收集装置机械结构的优化方法,并对基于上变频转换法、多模态法、频率调谐法、多方向振动能量收集法和非线性法等不同种类机械结构优化方法的能量收集器的优缺点进行了对比。
此外,还分析了数字开关控制电路和芯片集成控制电路在电路设计方面的优化方案。
最后,结合目前压电能量收集技术存在的问题,在压电材料性能的提升、能量收集器机械结构的优化、能量收集器电路结构的优化以及混合能量高效收集等四个方面的技术创新点的基础上,对压电能量收集技术未来的发展趋势和发展重点进行了展望。
【总页数】18页(P36-53)
【作者】徐诗友;吴晟霖;庞珊;王如意
【作者单位】广州理工学院智能制造与电气工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM619
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基于压电技术的振动能量收集器的研究分析牛进才
基于压电技术的振动能量收集器的研究分析牛进才作者：刘文慧来源：《赤峰学院学报·自然科学版》2019年第02期摘要：以压电技术为原理设计的振动能量收集系统，将环境中广泛存在的振动能量收集起来，为无线传感器网络的供电方式提供了一种有效途径.本文研究了国内外基于振动方式的能量回收系统电路，并对这些电路进行了仿真分析比较.关键词：自供式电源;压电技术;振动能量系统;接口电路中图分类号：TN712.5; 文献标识码：A; 文章编号：1673-260X（2019）02-0022-04随着“物联网+”和人工智能的快速发展，无线传感器网络技术得到广泛应用.而无线传感器网络技术的一个重要因素就是其供电问题.若采用常规电源为无线传感网络供电，必须定期对电源进行更换维护，且物联网中节点数较多，维护起来较为繁琐.自供式电源为无线传感器网络的供电问题提供了一种有效的解决方案.自然界中存在各种形式的能源，例如太阳能，风能，热能，振动能等.不同能量的密度不同，虽然振动能量的回收功率仅有微瓦或毫瓦级，但可以满足微功耗系统以及无线传感网络的电源需求.1 振动能量的收集装置能够收集振动能量的装置种类较多，根据振动电源所需的能量来源途径以及收集方式的不同，可将其分为静电式、电磁式和压电式等.静电式电源利用静电效应，将机械振动的能量转变成电能，但其需要外部电源来维持系统工作.当静电式收集装置在搜集振动能量时，先有外部电源对其电容进行充电.当振动源发生振动时，电容储存的电荷发生移动，进而在收集装置内部形成电流，为外部负载提供电能.由于静电式需外部电源，因此限制了其在无线传感网络领域的应用.电磁式收集装置利用法拉第电磁感应原理进行能量的收集.感应电动势的大小与磁通对时间的变化率成正比，线圈匝数和电磁频率影响感应电动势的大小.增大线圈匝数，则回收装置系统的体积也相对增大，且振动源的振动频率分布范围较.若将回收装置放在低频的振动源中，此时回收装置输出的电压较小，不能驱动无线传感器网络的工作.且电磁式收集装置容易受到电磁干扰，限制了其在无线传感器网络的应用.压电式能量回收器是利用压电材料进行能量收集.当压电片受力时，压电材料发生形变并在其内部产生电场，压电片发生极化效应，此时压电片表面形成极性相反的电荷.当振动源的振动力消失时，压电片又恢复原来不带电状态.在振动力的作用使附在压电材料表面的电荷间距减小，极化强度变小，此时若有导线连接，电荷就会沿着导线定向移动.在此过程中，利用压电材料将振动能转化成电能，进而为低功耗无线网络供电.压电式能量回收器具有能量密度较高，不受电磁干扰，回收器装置结构简单等优点，因此可将其作为无线传感网络电源的一种有效方式.2 振动能量回收系统的设计为低功耗无线网络提供电源，要求能量回收系统高效地提取压电材料从振动源俘获的能量，而且还要满足负载系统的功率要求.因此在系统设计时不仅要保证收集系统自身损耗较低，而且还需要从复杂的振动源里面俘获更多的能量，同时高效率地为负载系统供电.为了满足上述指标，首先对能量回收系统的发电装置进行优化设计，使能量收集器以最大功率从振动源获取能量;其次对能量回收系统的接口电路进行设计，尽可能将压电材料获取的振动能高效地提供给负载;其次要满足能量收集器能够为负载提供足够的功率，同时还要保证设计的能量收集系统自身损耗较低.传统的压电片是由压电陶瓷（Piezoelectric ceramic transducer，PZT）做成，压电陶瓷具有较大的压电常数，适合做能量收集器的发电装置材料.但其在振动源受到较大的机械振动时，压电陶瓷容易碎裂，因此限制了其在能量回收系统的利用.随着高分子材料的发展，利用柔性更大的压电材料聚偏氟乙烯制作成压电片（Polyvinylidene fluoride，PVDF）.相对于压电陶瓷，PVDF有着更好的柔性，在高频和压力下获取的能量更多，可利用时间更长，压电片的阻抗更小，质量较轻[1].Sun和Qin等学者用新型复合材料驰豫型铁电体PMN-PT做成压电片，经过大量实验证明用PMN-PT作为能量收集系统的发电装置，压电片也可以输出较高的电压和功率[2].影响能量收集装置的因素不仅与收集装置的材料有关，而且与采集装置的结构相关.目前压电式能量采集装置的结构主要有悬臂梁、简支梁，矩形梁以及圆形和钹型结构等.悬臂梁结构的压电片应用较早，其主要优点为：压电片结构简单，制造方便;有利于降低悬臂梁的自振频率，使采集装置在振动源更容易发生共振，提高采集装置的俘获能量的能力.除悬臂梁的结构外，还可以采用圆形和钹型结构等来设计能量收集装置.当压电片受到振动源的压力时，由于采集装置设计成圆盘形结构，其受力相对于其他结构来说，圆盘形面积受力更加均匀，能量采集装置可以更为有效俘获振动源的能量，提高收集能量的效率.压电装置的工作状态影响采集装置俘获的能量，目前压电装置的有效工作状态主要有d31转换模式，这种转换模式是振动方向与极化方向处于垂直状态.Roundy等人对d31转换模式通过大量实验研究发现，d31模式下的机电耦合系数较高，在低频振动下，利用压电材料能够俘获更多的振动能.d31转化模式的材料结构更容易制作，其系统的固有频率较低，适合于在振动源频率低的环境中应用.d33转换模式也是压电装置的一种有效工作状态，其特点有：当振动源对压电材料施加压力时，压电材料发生形变的作用力方向与极化方向相同;d33模式与d31模式相比，d33模式的机电耦合系数更大，俘获振动源的能量更多，其将机械能转化成电能的效率更高.3 振动能量收集器的电路设计分析3.1 经典采集电路由于环境中的振动源比较复杂，振动频率的范围较大，压电片受到的压力波动较大，高效和适应范围广的能量回收系统接口电路很难实现.因此在设计能量回收系统的接口电路时，首先建立起压电片的等效电路模型，然后根據振动源的物理特性来设计高效的能量收集器.Ottman和Hofmann等学者经过实验发现可以将压电片的模型等效为一个交流电流源和一个电容的并联[3]，如图1所示.经典的能量回收系统的接口电路如图2所示，接口电路有四个二极管构成一个全波整流电路，四个二极管交替导通，当压电片两端电压大于二极管的导通电压时，对电容Cr充电获取电能，同时对负载供电.若选择合适的电容Cr，当压电片电压较小时，电容Cr将会对负载供电.对接口电路进行仿真分析，得出负载和频率的功率关系如图3-4所示.由此可以看出，经典的振动能量回收系统的功率与负载有关，且随着负载变化先增大后减小.说明能量回收系统存在一个最大功率负载，且功率随着频率的增大下降较快.然而环境中振动源的频率范围较广，低功耗无线传感器阻抗范围波动较大，因此传统的接口电路并不能适应实际的物联网电源需求.3.2 同步电荷提取电路文献[4]设计了一种新型的接口电路，同步电荷提取电路（Synchronous charge extraction circuit，SCE），电路图如图5所示.当压电片两端电荷达到最大值时，闭合开关S1A，此时可将压电片的电荷转移至电感上，当压电片的电荷全部转移至电感时断开开关，此时电感对滤波电容C1充电，实现对负载供电.在电感对Cr充电时要保证充电时间小于压电片的积累电荷的时间，即小于机械振动周期.对同步电荷提取电路进行仿真，其仿真结果如图6-7所示，从图中可知将同步电荷提取电路用作接口电路时，能量收集系统得到的功率随负载变化波动较小，且获得的功率数值是经典接口电路的2倍，因此同步电荷提取电路适合做接口电路.但其也有一些弊端，当振动源的频率波动较大时，同步电荷提取电路收集的能量波动较大，且此接口电路需要脉冲信号控制系统对压电片的电荷积累和提取进行控制，不适用于做自供电式的电源.基于上述原因文献[5]对经典的同步电荷提取电路进行了改进，如图8所示.改进型的同步电荷提取电路工作状态共分为四个阶段：第一阶段，电流经过晶体管Q1，D2正向对电容C1，C2充电;第二阶段，当压电片受到反向压力时，电容C1两端电压降低，晶闸管D1，D2反向截止不能对电容C2充电;第三阶段为能量提取阶段，电容C2与晶闸管D1，电感L2，晶体管Q4构成LC振荡电路，当电容C1经过1/4LC振荡周期时，电容C2经过D4，D1，Q2，Q4放电，此时L2储存能量较大，C2经过放电之后两端电压不能使Q2，Q4导通;第四阶段L2经过二极管D5，把能量存储到C4供给负载.负载获取的能量是标准提取电路的3倍，且不需要额外的控制电路，为自供电式电源的设计提供了一种有效的途径.3.3 并联电感同步收集电路Guyomar和Badel等人建立了并联电感同步收集电路（Synchronized Switch Harvesting on Inductor，P-SSHI）如图9所示[6]，电路中压电片并联电感和开关后与整流电路连接，当压电材料受到振动源的最大压力时，开关闭合，电感发生LC振荡，开关经过半个振荡周期后断开.此时电流桥处于截止状态，当振动源对压电片的压力达到一定程度时，整流桥导通，压电片开始对滤波电容C1和负载充电.对P-SSHI电路仿真结果如图10-11所示，并联电感同步开关电路作为接口电路时，获得的功率比经典接口电路和同步电荷接口电路高，但其需要脉冲控制，且随着频率的波动，收集功率也会波动.因此原始的并联电感同步开关接口电路也不适合自供式的振动能量收集器.文献[7-8]对并联电感同步开关接口电路进行了改进，称之为自供电式接口电路，如图12所示.此接口电路由三部分组成：第一部分主要是由壓电材料和外围电路的控制电路开关MOS 管组成，用于收集振动源的能量;第二部分主要是由异或门和放大器搭建的控制电路，控制电路接入了两个二阶RC电路，再由异或门电路搭建的数字电路连接RC电路，将压电片输出的电压进入异或门的输入，将输出的电压作为同步开关的控制电压.从异或门输出的即为同步开关的控制电压，此控制电路避免了外部电源供电;第三部分是由电容C5，二极管D6-D8组成的直流供电部分，为负载供电.自供电式同步开关控制接口电路能够有效提高输出功率，且不需要外部电源.4 结束语本文研究分析了基于压电方式的振动能量收集系统的设计过程.首先介绍了振动能量收集器在低功耗无线传感器技术的应用前景，然后研究分析了能量收集系统的发电装置和接口电路.对国内外振动能量收集器的接口电路，进行了仿真分析，重点分析负载和频率对功率的影响.振动能量收集系统的功率随着负载的变化发生变化，能量收集系统存在一个最优负载，且收集系统对负载提供的功率受振动源频率的波动较大.目前适用于复杂振动源的振动收集装置尚在研究之中，且经典的接口电路不能广泛适用实际的复杂振动源.要针对环境中具体的振动源的特性，通过改进各种经典的接口电路来设计振动能量收集器，才能广泛应用到低功耗的无线传感网络.参考文献：〔1〕Churchill D L， Townsend C P， Arms S W. Strain energy harvesting for wireless sensor networks[J]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering， 2003，5055：319-327.〔2〕Sun C， Qin L， Li F， et al. Piezoelectric energy harvesting using single crystal Pb （Mg1/3Nb2/3）O 3-xPbTiO3 （PMN-PT） Device[J]. Journal of Intelligent Material Systems & Structures， 2009， 20（5）：559-568.〔3〕Ottman G K， Hofmann H F， Lesieutre G A. Optimized piezoelectric energy harvesting circuit using step-down converter in discontinuous conduction mode[C]// Power Electronics Specialists Conference， 2002. Pesc 02. 2002 IEEE. IEEE， 2002：1988-1994.〔4〕Lefeuvre E， Badel A， Richard C， et al. A comparison between several vibration-powered piezoelectric generators for standalone systems[J]. Sensors & Actuators A Physical，2006， 126（2）：405-416.〔5〕屈凤霞，夏银水，施阁，等.自供电的同步电荷提取电路的优化设计[J].传感技术学报，2016，29（3）：349-355.〔6〕Guyomar D， Badel A， Lefeuvre E， et al. Toward energy harvesting using active materials and conversion improvement by nonlinear processing.[J]. Ultrasonics Ferroelectrics & Frequency Control IEEE Transactions on， 2005， 52（4）：584-595.〔7〕Mitcheson P D， Yeatman E M， Rao G K， et al. Energy Harvesting From Human and Machine Motion for Wireless Electronic Devices[J]. Proceedings of the IEEE， 2008， 96（9）：1457-1486.〔8〕張淼，孟庆丰，王宏金.自供电式并联电感同步开关压电能量收集电路实现方法研究[J].振动与冲击，2015，34（9）：120-124.。
基于压电材料压电效应能量收集装置的研究与发展前景
Internal Combustion Engine&Parts0引言随着电子科学技术的高速发展，对微机电系统[1]和集成电路的几何尺寸和能耗都有了极大的改善。
同时无线移动设备也得到了高速发展，其在生物环境、实时追踪、智能家居等领域都得到了广阔的推广和运用。
传统移动设备能源的供给绝大多数都来源于传统的化学电池，然而传统的化学电池存在体积大，易造成环境污染的缺点，同时在某些生物工程领域当中，更换化学电池也是及其繁琐，极大地限制了微机电设备和移动设备的推广和运用。
针对这一缺陷，众多研究机构一方面着重研究和开发高性能传统电池，一方面把研究方向投入到能量收集装置[2]的研究，用能量收集装置代替传统化学电池。
能量收集装置可以从大自然中收取机械振动[3]、热辐射、静电等不同形式的能量。
机械振动在大自然中最为普及，机械振动具有能量密度高和不受地理环境等因素的限制，因此其可研究的意义最大。
据现有的研究现状可知，机械振动具有电磁式[4]、静电式[5]和压电式[6]三种转化为电能的方式，每种将机械振动转化为电能的方式都各有优缺点，其中压电材料的压电式能量收集装置具有结构简单紧凑，利用率高，制作成本低等优点。
压电材料压电效应能量收集装置为移动设备能源的供给和物联网传感器能源来源等问题提供了可行的解决方案。
本文将对压电材料压电效应能量收集装置的运用领域、产品类型、国内外研究现状等问题作出进一步的归纳和讨论。
1压电材料压电效应能量收集装置核心技术的研究现状1.1生产运用随着高速道路的快速发展，大量的智能传感器广泛的运用在高速公路当中。
智能传感器和高速公路上的各类用电设备都需要提供能源，因此从高速公路的路面上获取能量显得极为重要并有极大的运用前景。
21世纪初，以色列联合海法理工学院共同研发了一种压电能量收集装置，广泛运用于高速公路和普通道路中。
当采用该压电能量收集装置时，一条交通量为700左———————————————————————作者简介:邹鹏君（1990-），男，江西上饶人，硕士，助教，江西制造职业技术学院，研究方向为内燃机、水轮机等动力设备。
基于MEMS技术的振动能量收集及应用研究
基于MEMS技术的振动能量收集及应用研究近年来，新能源技术的飞速发展已成为社会热点，其中振动能量收集技术是一项备受关注的技术。
振动能量收集技术基于MEMS（微机电系统）技术，可以将机械能转换为电能，从而实现能源的可持续利用。
本文将介绍基于MEMS技术的振动能量收集及其应用研究的相关内容。
一、MEMS技术的概述MEMS技术全称为微机电系统技术，是一种将电子、机械、光学、热力学等多个领域的技术综合应用的技术。
MEMS技术主要是通过微纳加工技术、半导体工艺等技术实现微小尺寸、高精度、高性能的微系统，例如加速度计、陀螺仪等微型传感器与执行器等。
由于MEMS技术在微型传感器与执行器制造上具有优良的特性，因此被广泛地用于振动能量收集技术的研究与应用。
二、振动能量收集技术的原理振动能量收集技术是利用物体振动时的机械能转化成电能。
将MEMS技术与振动能量转换技术相结合，可以实现振动能量的高效收集和利用。
微型振动发电系统是振动能量收集技术的主要实现方式之一。
它主要是将MEMS技术用于制造微型电机，然后在微型电机上安装振动发电装置，利用振动机械能使得微型电机旋转产生电压，最终将电能存储在电池或其他储能装置中。
三、振动能量收集技术在智能物联网中的应用振动能量收集技术在智能物联网领域有着广泛的应用。
由于物联网设备数量庞大，因此电池的寿命是一项重要的问题。
为了保持设备持续供电，振动能量收集技术可以在物联网设备中得到广泛的应用。
一些IoT设备像智能手表、智能耳机等都是采用振动能量收集技术实现无线通信和数据收集。
这些设备都集成了MEMS技术制造的微型电机和振动发电装置，从而可以让设备通过振动发电技术为自己充电，使得设备的充电效率更高、更为有效，保证设备不间断运行。
四、结论综上所述，振动能量收集技术在能源领域中有着非常重要的意义。
基于MEMS技术的振动能量收集技术具有制造成本低、高效能量转换、易于集成到系统中等优势，因此在物联网等领域具有很高的应用价值。
基于压电效应的微型振动能量收集装置
基于压电效应的微型振动能量收集装置第一章：引言随着科技的发展，越来越多的智能设备被广泛应用，如智能手表、智能手机等。
然而，这些设备的电池寿命短，需要不断充电，给用户带来不便。
因此，如何收集环境能量，以实现智能设备的各种功能，已成为世界各地众多科技研究人员共同关注的问题。
其中，基于压电效应的微型振动能量收集装置，成为了一种可能可行的解决方案。
第二章：基础理论2.1 压电效应压电效应是指某些晶体或陶瓷材料在受到压力或扭转作用时会产生电势差，即将机械能转换为电能的现象。
其原理是由晶体或陶瓷材料的结构所决定的，当其晶格受到外力变形时，电子密度发生变化，产生电荷分布不均，从而形成电场，导致电荷在电极间流动，从而产生电流。
2.2 微型振动能量收集装置微型振动能量收集装置是一种利用环境震动或振动能量，通过压电材料的压电效应进行能量转换，并对其进行储存和管理的设备。
其基本原理是通过振动能量的引导装置将环境能量传递给压电材料，产生微弱的电流和电压，经过放大、整流等处理后，储存在超级电容器、储能电池等储能设备中，实现对电力资源的有效收集和管理。
其优势在于无需外界电能，节约了能源和环保。
第三章：设计与实现3.1 设计思路基于压电效应的微型振动能量收集装置，主要由引导装置、压电材料、整流电路、超级电容器和储能电池等组成。
其工作原理是将环境能量转化为电能，存储在储能设备中，以供智能设备使用。
为了提高能量转换效率和收集稳定性，需要合理选择压电材料、设计合理的引导装置，并遵循合适的工艺流程，保证各个部分之间的良好匹配。
3.2 实现方案通过选用高灵敏度的压电陶瓷材料，设计出形状符合工具模型的引导装置，经过调节工艺参数来实现压电材料与引导装置的高效匹配。
整流电路可选用高效整流芯片和互补金属氧化物半导体（CMOS）技术。
超级电容器采用低ESR（Equivalent Series Resistance）电容，可实现高效充放电。
储能电池采用危化品安全批准的环保型电池，避免了污染和安全隐患。
聚丙烯压电驻极体的振动能量采集研究
聚丙烯压电驻极体的振动能量采集研究武丽明;张晓青【摘要】以线性聚丙烯(PP)为原材料,经压缩气体膨化处理和电晕极化处理后,使其具有压电效应,并将其应用在振动能量采集器中.结果表明,PP压电驻极体在厚度方向上的弹性模量和机械品质因数(FOM,d33?g33)分别为1.7 MPa和8.4 GPa-1,利用面积为3.14 cm2单层膜进行能量采集,当振子质量为25.6,33.7和57.7 g时,其共振频率分别为2300,2000和1800 Hz,在各自的匹配负载条件下,获得的输出功率分别为10.1,13.2和16.9μW/g2.将两片PP膜电学串联,当振子质量为33.7 g时,在共振频率1400 Hz和匹配负载4.3 MΩ的条件下,可以获得的输出功率为15μW/g2.%Cellular polypropylene (PP)films were rendered piezoelectric after pressed gas expansion treatment and proper polarization,and applied in vibration energy harvesters.The results show that Young's modulus in thickness direction determined from dielectric resonance spectra,and the figure of merit FOM (d33?g33 )are 1.7 MPa and 8.4 GPa-1 ,respectively.For a PP film sample with a quasi-static piezoelectric d33 coefficient of 280pC/N,area of 3.14 cm2 ,and capacitance of 59 pF at 1000 Hz,a normalized output power of 16.9μW/g2 was obtained under conditions of a seismic mass of 57.7 g,a matched load resistance of 2.4 MΩ,and a resonance frequency of 1800 Hz.Two pieces of PP films were in electrical series,the capacitance is 25.4 pF in total.The output power of 15μW/g2 was obtained with an area of 3.14 cm2 ,a seismic mass of 33.7 g and a matched load resistance of 4.3 MΩ.The piezoelectrets based energy h arvesters may be used to power low-power electronics.【期刊名称】《功能材料》【年(卷),期】2016(047)008【总页数】5页(P8074-8078)【关键词】聚丙烯;压电驻极体;能量采集【作者】武丽明;张晓青【作者单位】同济大学物理科学与工程学院,上海市特殊人工微结构材料及技术重点实验室,上海 200092;同济大学物理科学与工程学院,上海市特殊人工微结构材料及技术重点实验室,上海 200092【正文语种】中文【中图分类】O469压电驻极体(piezoelectrets)兼有铁电材料和空间电荷驻极体的特点，因此也称为铁电驻极体[1-2]，是一类新型的人工智能和新能源材料[3-7]。
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第27卷第3期2010年6月现 代 电 力M oder n Electr ic P ow erV ol 27 N o 3June2010文章编号:1007-2322(2010)03-0070-05文献标识码:A基于压电材料的振动能量收集试验研究任思源,何 青(华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京 102206)Experimental S tud y on Vibration Energy Collection Based on Piezoelectric MaterialRen Siyuan,H e Q ing(Schoo l of Energ y,P ow er and M echanical Eng ineering,N o rth China Elect ric Po wer U niver sity,Beijing 102206,China)摘 要:针对设备状态监测与故障诊断实时监测的要求,以应用于无线传感器网络节点供电为目的,根据材料的压电特性及其等效电模型,设计出将振动能转化成电能的能量收集的试验系统。
该试验系统由压电片、振动台、整流转换、充电电路以及可充电锂离子电池等组成。
以整流电路、开关控制部分,结合超级电容,设计出基于压电材料的振动能综合转换收集试验方案,制作出小型设备,通过试验验证其应用的可行性,记录并分析试验数据。
试验表明,振动能量能够被有效地转化为电能并先储存于超级电容中,后由开关系统控制充电芯片实现断续充电,将电能储存至锂电池中。
关键词:压电材料;振动;能量收集;超级电容;锂电池Abstract:Based on the piezoelectric characteristics and e-quivalent electrical m odel of the material,an experimental system has been designed to convert the energy of vibration into the elect ric pow er.The experimental system takes the real time requirement of condition monitoring and f aults d-i agnosis as background and aims at the application of the pow er supply for wireless sensor netw ork nodes.It consists of piezoelectric ceramics,vibration shaker,rectifier con-verter,charge circuit,Lithium battery,etc.,the exper-i mental scheme is accomplished to convert and collect the v-i brat ion energy of the piezoelectric material with synthesizing rectifier,switching part and super capacitor.A small device has been analyzed and verified w ith experim ents and the re-corded data.The experim ent shows that vibration energy can be converted to electrical energy and then electrical en-ergy is stored in Super Capacitor,intermittently charged through sw itching part into charge chip,and stored in a lith-ium battery.Key w ords:piezoelectric;vibration;energy harvesting; Super Capacitor;Lithium Battery0 引 言随着无线设备的广泛应用,其供电问题受到人们的广泛关注。
在许多使用电池供电的场合,电池的频繁更换不仅会增加使用费用,而且会造成环境污染,特别在一些人类无法到达、无法接触的特殊场合,其电池更换更难。
另外在设备监测与故障诊断的应用中,电池电量用完且又无法及时更换会造成严重的后果[1]。
为解决这些问题,人们开始考虑把周围环境中的能量,如化学能、光能及机械振动能等,转换成电能收集并存储起来。
在工矿、电力、石油等行业内部,大型机械设备的应用极为广泛。
与此同时,随着联合能量收集技术的发展,大型机械设备的振动能量收集利用也随之广泛发展起来。
研究人员目前已经开发出从振动中收集能量的装置。
这些装置可采用电磁式、静电式或压电式将机械运动转换为电能。
这3种机电转换方式的能量贮存密度比较如表1所示。
而且,现在一些公司开始生产振动能量转换器,每一种转换器各有优缺点。
一般来说,静电式转换器需要保持一很小的空气间隙,且功率密度较低,电磁转换器常常输出电压低,而压电式转换器却要依赖于较脆的陶瓷[2]。
依据理论、仿真和实验,对大部分应用来说,3种转换器中压电式转换器是最有潜力的。
表1 能量贮存密度比较类型实际最大值/(mJ cm-3)理论最大值/(mJ cm-3)压电式35 4335静电式444电磁式24 8400本文所介绍的是一种基于压电片的压电振动能量收集技术试验,该能量收集技术试验是由振动台作为动力源,压电片产生电流可以存放在超级电容中,在电容蓄到一定电压时,可驱动开关系统打开,使充电芯片工作,并将电流储存至充电电池中,已备使用。
本文不同于以往研究成果的一大特点就是实现了断续充电,这对于提升能量收集效率,进一步开发能量收集器有着直接的指导意义。
1 振动能量收集原理压电片有将振动能转化成电能的能力,根据其压电耦合系数的不同,在不同频率、不同振动加速度等条件下产生的电压值就不同。
另外,影响压电片产生电能大小的两个重要因素就是配重和极化方向,压电片必须要有压力作用,使其内部变形才能产生自由电荷输出,形成电流,所以,必要的配重必不可少。
配重的大小,也关系到产生自由电荷的多少,即产生电能的大小(本文试验中在不加配重情况下最大电压只能达到2V 左右,而在外加配重情况下可达10V);极化方向也是不能忽视的,压电元件材料具有将机械能转化为电能的性能,当压电元件受外力作用时,其极化强度随之而变,导致表面吸附的自由电荷随之变化。
此时采用特定的电荷收集技术可使之形成电流[3],并且在所加外力方向必须和极化方向一致才可得到最佳效果。
1 1 试验模型本文采用振动台产生一定频率、一定振动加速度的振动,在振动仪上固定一个压电片,并在压电片极化方向上放外加配重,将压电片正负两极引线接至整流电路,后接超级电容,连接开关电路至充电芯片,最后连接充电锂离子电池,即可完成此能量收集技术试验。
图1为压电振动能量收集技术流程图。
图1 压电振动能量收集技术流程图1 2 模型系统功能能够利用振动对锂离子电池进行充电。
利用压电转换产生一定电流,并利用这个电流对电池进行充电。
这样只要有振动,就可以随时充电。
开关系统可以很好地控制后续电路的通断,有效地提高了能量收集效率,为实现断续充电提供必要条件。
能够自动控制充电的电量。
本文采用充电芯片控制充电量,最大限度保护了电池的寿命。
本文选取的充电芯片具有输入电压源限流模式,该模式可以顺利实现断续充电,这也是本文能量收集技术的最大优点。
2 能量收集电路设计压电元件产生的电荷是瞬间和交替的,是以不规则的随机突发形式提供能量,而且在电能提取过程中具有阻尼效应,即:当振动能传递到压电材料时,由于压电效应而转化为电能,在材料内部产生交流电压,而当材料内部电阻太大(相当于断路)或电阻太小(相当于短路)时,产生的电能未消,会再次转化为振动能。
反复这种过程,振动衰减会持续一段时间。
所积聚起来的电荷阻碍电荷的进一步生成。
因此必须先在一个超级电容器积累足够的能量,然后通过转换电路将能量储存于电池中[4]。
本文采用上海如韵公司出产的CN3063作为主控芯片对锂电池进行充电,CN3063可以直接从外部获取4 35~6V 电压,它内置温度控制回路及再充电电压检测。
它的运行无需微处理器控制,并且可将一节锂电池恒流充电达500mA 。
CN3063包含两个漏极开路输出的状态指示输出端,CH RG 充电状态指示端和DON E 充电结束指示输出端,当输入电压大于低电压检测阈值和电池端电压时,CN3063开始对电池充电,CH RG 管脚输出低电平,表示充电正在进行。
如果电池电压Kelv in 检测输入端(FB)的电压低于3V,充电器用小电流对电池进行预充电。
当电池电压Kelvin 检测输入端(FB)的电压超过3V 时,充电器采用恒流模式对电池充电,充电电流由ISET 管脚和GND 之间的电阻RISET 确定。
内部的8位模拟-数字转换电路,能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流,用户不需要考虑最坏情况,可最大限度地利用输入电压源的电流输出能力,特别的CN3063所具备的输入电压源限流模式,非常适合电流输出能力有限的电压源供电的锂电池充电应用。
在试验中,从压电片得到的交流电经全波整流后的直流电压可达10V 左右,可是因所得电流太小,不足以直接启动后续的充电芯片,必须先将电能储存在超级电容C5上,当C5电压达到CN3063的充电控制端输入电压要求时,电路开始工作。
能量收集技术基本设计电路,如图2所示。
71第3期任思源等:基于压电材料的振动能量收集试验研究图2 能量收集器设计电路3 试验过程及结果本文选用PZT -5压电陶瓷片,上下表面涂有银电极,从银电极上引出正负接线,用502胶水将压电片固定在简支梁中部,并在压电片上方加配重,用铁丝拉紧固定。
该简支梁中部下方接有激振器。
如图3所示。
图3 能量收集试验使用波形信号发生器GFG -8019G 产生正弦信号,经GF -20型功率放大器放大后驱动激振器,将压电陶瓷片正负极接入到示波器,则压电片产生电压输出如图4所示。
图4 压电片输出电压由于配重由铁丝拉紧固定,存在预紧力的干扰,因此所得电压信号有噪音存在,但在接入全波整流、滤波后,直流输出电压趋于平滑,非常接近于理想直流电源,具有很好的稳定性。
如图5、图6所示。
从图5、图6可以看出,压电片整流后直流电压比较稳定,并能得到超过5V 的直流电压。