振动能量收集装置的研究
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“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
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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
请预览后下载！ 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。
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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。
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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:
20,8eocrmaPQ
32,eMAXPYZm
3max,4LCrMAXloadavLCRRmYZPRR
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~,PLaforL
且
720~0,PLaforL
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~.OCPLforQ
请预览后下载！ 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~.PL212EEPv23~,rPkfL
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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
6221.910,MAXrPVf
振动能量供电的矿用无线传感器网络研究
第３期 ２０１２年６月 机 电 元 件 ＣＡＬ ＣｏＡⅡ，（，ＮＥＮＴＳ Ｖ０１．３２ ＮＯ．３ Ｊｕｎ．２０１２
振动能量供电的矿用无线传感器网络研究
秦显远 。吴迪。，刘超 （１．兖矿贵州能化有限公司，贵州贵阳５５００２２；２．兖矿贵 １，１能化有限公司，贵州贵阳５５００２２；
３．中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州２２１００８）
摘要：针对现有矿用无线传感器网络使用的传统供电方式所带来的不足，根据振动能量收集装置在国内外的 发展情况，提出了使用振动能量供电的新型无线传感器网络，研究了采用振动能量收集装置对矿用无线传感器网 络所带来的优势和可行性分析，结果表明使用振动能量收集装置的矿用无线传感器网络可以极大地增强无线传感
器网络的监测作用。 关键词：无线传感器网络；环境监测；振动能量收集装置 Ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—６１３３．２０１２．０３．００５ 中图分类号：ＴＮ７８４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—６１３３（２０１２）０３—０ｏ２４—０４
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｈａｒｖｅｓｔｅｒ・——Ｐｏｗｅｒｅｄ
Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｓｅｄ ｉｎ Ｍｉｎｅ
Ｑｉｎ—ＸｉａｎＹｕａｎ ，Ｗｕ Ｄｉ ，Ｌｉｕ Ｃｈａｏ
（１．Ｙａｎｚｈｏｕ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｉｎｇ Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｇｕｉｙａｎｇ ５５００８１，Ｇｕｉｚｈｏｕ； ２．Ｙａｎｚｈｏｕ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｉｎｇ Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｇｕｉｙａｎｇ ５５００８１，Ｇｕｉｚｈｏｕ；
３．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ ＣＵＭＴ。Ｊｉａｎｇｓｕ Ｘｕｚｈｏｕ ２２１００８，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｉｅｄ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｕｓｅｄ ｉｎ ｍｉｎｅ，
压电发电的能量转换及存储技术研究
压电发电的能量转换及存储技术研究
随着人类对可再生能源的需求日益增长，能量转换和存储技术成为了当今研究的热点。其中，压电发电技术作为一种将机械能转换为电能的独特方式，在能量转换及存储技术上具有重要的应用价值。本文将阐述压电发电的基本原理、技术分类、优势以及未来应用前景，为相关领域的研究提供参考。
压电发电是指利用压电材料的逆压电效应将机械能转换为电能的过程。逆压电效应是指压电材料在受到外部机械应力时，会产生电势差的现象。与传统发电机相比，压电发电机的最大区别在于其不需要电磁感应原理，因此具有结构简单、体积小、重量轻等优点。
压电发电技术根据不同的应用场景，可分为薄膜压电发电、纤维压电发电和颗粒压电发电等。
薄膜压电发电：利用薄膜压电材料在受到应变时产生电势差的特性，将机械能转换为电能。该技术适用于小型设备或低功耗应用场景。
纤维压电发电：利用纤维压电材料在受到轴向应力时产生电势差的特性，将机械能转换为电能。该技术适用于结构较复杂或要求高度集成的应用场景。 颗粒压电发电：利用颗粒状压电材料在受到振动或冲击时产生电势差的特性，将机械能转换为电能。该技术适用于环境恶劣或要求高稳定性的应用场景。
压电发电技术在能量转换及存储技术上具有以下优势：
高效性：压电发电机的能量转换效率较高，可达到90%以上。
可靠性：由于没有使用电磁感应原理，压电发电机具有更高的可靠性，适用于各种恶劣环境。
灵活性：根据不同应用场景，可以选择不同类型的压电发电机，以满足各种需求。
环保性：压电发电过程中不产生污染，符合绿色能源的发展趋势。
不足之处在于，压电发电机的输出功率密度相对较低，需要进一步优化材料和结构设计以提高输出性能。
由于压电发电技术的独特优势，其具有广泛的应用前景。以下是几个典型的应用领域：
便携式设备：随着智能设备的普及，便携式设备对能源的需求不断增加。压电发电机作为一种绿色、高效的能源转换方式，可为便携式设备提供持续的电能。
抗磁悬浮能量采集器振动与输出特性分析
抗磁悬浮能量采集器振动与输出特性分析
张振宇;苏宇锋;秦立振
【摘 要】On the basis of analyzing the nonlinear vibration characteristics of
levitation permanent magnet in the dia-magnetic vibration energy
harvester,we could analyze the infuences of structure parameters to the
output characteris-tics of the induction coil. We used MATLAB to simulate
nonlinear vibration characteristics of micro-vibration energy harvester and
the finite element analysis software COMSOL to simulate the output
characteristics of energy harvester. By changing the coil parameters,we
found that when the coil volume was determined,the changes of output
power were very small but the voltage increased quickly with the
increasing of coil diameter. Therefore,the output voltage of the coil could
be improved by reducing the diameter of the wire by micro machines.
Finally,when the total vol-ume of the coil was about 6.4 mm3 ,wire
ANSYS的两自由度宽频压电能量收集装置性能分析
第２８卷第４期 Ｖ０１．２８ ＮＯ．４ 湖 北 工 业 大 学 学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｕｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２０１ ３年Ｏ８月 Ａｕｇ．２０１３ ［文章编号］１００３—４６８４（２０１３）０４—００９２ ０４ ＡＮＳＹＳ的两自由度宽频压电能量收集装置性能分析 张斯阳，曾 琴，孙 科，陶孟仑，陈定方 （武汉理工大学智能制造与控制研究所，湖北武汉４３００６３） ［摘要］以两自由度宽频压电能量收集装置为研究对象，基于ＡＮＳＹＳ对其进行有限元分析，将两一由度压电振 子与单自由度压电振子和二元阵列压电振子进行对比．将这三种结构在相同的参数条件下进行模态分析以及偕响 应分析，证明两自由度压电悬臂梁能起到拓宽频宽的作用． ［关键词］宽频；压电；二自由度；悬臂梁；能量收集装置；ＡＮＳＹＳ ［中图分类号］ＴＨ１ ２２ ［文献标识码］：Ａ 基于振动的ＭＥＭＳ能量收集装置具有非常低 的能量密度，可用于无线传感器．微振动功率收集装 置的关键问题是设备的谐振频率不匹配的环境振动 频带．环境振动的频率从几Ｈｚ到几百Ｈｚ各不相 同，但大多数微观结构的谐振频率均在几ｋＨｚ左 右，而且大部分的微观结构谐振带宽很窄，因此对其 拓宽带宽的研究很有必要． １ 国内外宽频压电能量收集装置发展 现状 从１ ９６９年ｗｅｎ Ｈ Ｋｏ提出一种采集心跳活动 能量的小型压电悬臂梁式能量采集器［＿ｌ 以来，世界 上许多研究团体开展了一系列关于压电式能量采集 器的研究． 韩国Ｊｅｏｎｇ Ｓ Ｊ研究小组制作了基于双层压电 片的能量采集器：当上下压电层的厚度不同时，在比 较近的频率范围内会出现２个共振频率，这样就增 加了器件的频率响应带 ］．弗吉尼哑理工大学的 Ｅｒｔｕｒｋ Ａ等人设计ｒ一种Ｉ 型悬臂梁结构 ，传统 的直线型悬臂梁结构的一、二阶固有频率之间至少 相差６倍，通过优化设计的Ｉ 型悬臂梁的前两阶固 有频率只相差１倍，振动能量可以在在一、二阶模态 之间传递． 华中科技大学于２００８年提出了采用悬臂梁阵 列结构的方法 ］．２０ｌ０年南京航空航天大学陈仁文 等发明了一种蒲公英状多方向、宽频带压点振动能 量收集装置 ．２０１１年上海交通大学的马华安等， 提出的一种通过磁力的引入使其在低频下工作的、 宽频的压电振动能量采集器，与传统无磁铁振动式 压电能量采集器相比，有效地拓展了５ Ｈｚ的工作频 带 Ｊ．２０１１年上海交通大学刘景全等发明了基于 ＰＭＮＴ压电单晶的ＭＥＭＳ宽频振动能量采集器， 制备的器件可以在较宽的环境振动范围内输出较大 稳定的功率 Ｊ．２０１２年南京航空航天大学侯志伟等 人，提出了一种新颖的多方向振动能量收集装置的 设计结构，该装置的换能部分采用了Ｒａｉｎｂｏｗ型压 电结构，该装置经过优化后，在ｙ向激励时，其输出 的总电能为３７．１４６ ｒ＊Ｊ，比优化前提高了３０．８２ ；当 沿装置体对角线方向激励时，结构装置输出的总电 能为５８．７１５ Ｊ，比优化前提高了２９．２４ 【｛｛ ． ２ 宽频压电能量收集装置 ２００９年，中南大学的Ｚ Ｔ Ｙａｎｇ与美国内布拉 斯加大学林肯分校的Ｊ Ｓ Ｙａｎｇ合作，对相连的振动 双压电晶片梁结构进行了研究 ，理论模型如图１ 所示，发现如果对固有频率相近的双压电晶片梁进 行弹性连接与电连接，就可以获得宽频带的电输出． ▲ Ａｅｘｐ（ｉｏ）ｔ）Ｉ ’ 图ｌ 相连振动双压电晶片梁结构的理沦模 ［收稿日期］２ｏ１３…０３—３０ ［作者简介］张斯阳（１ ９９０一），女，湖北汉川人，武汉理工大学本科生，
我国林果振动采收机发展应用现状与展望
櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄
［３２］ＭｕｌｌａｈＣＪ，ＫｌａｎｄｅｒｕｄＫ，ＴｏｔｌａｎｄＯ，ｅｔａｌ．Ｃｏｍｍｕｎｉｔｙｉｎｖａｓｉｂｉｌｉｔｙ
ａｎｄｉｎｖａｓｉｏｎｂｙｎｏｎ－ｎａｔｉｖｅＦｒａｘｉｎｕｓｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉｃａｔｒｅｅｓｉｎａ
ｄｅｇｒａｄｅｄｔｒｏｐｉｃａｌｆｏｒｅｓｔ［Ｊ］．ＢｉｏｌｏｇｉｃａｌＩｎｖａｓｉｏｎｓ，２０１４，１６（１２）：
２７４７－２７５５．
［３３］ＳｃｈｂＣ，ＣａｌｌａｗａｙＲＭ，ＡｎｔｈｅｌｍｅＦ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｃｏｎｔｅｘｔｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ
ｏｆｂｅｎｅｆｉｃｉａｒｙｆｅｅｄｂａｃｋｅｆｆｅｃｔｓｏｎｂｅｎｅｆａｃｔｏｒｓｉｎｐｌａｎｔｆａｃｉｌｉｔａｔｉｏｎ
［Ｊ］．ＴｈｅＮｅｗＰｈｙｔｏｌｏｇｉｓｔ，２０１４，２０４（２）：３８６－３９６．
［３４］ＭａｒｔｏｒｅｌｌＣ，ＦｒｅｃｋｌｅｔｏｎＲＰ．Ｔｅｓｔｉｎｇｔｈｅｒｏｌｅｓｏｆｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ，
ｆａｃｉｌｉｔａｔｉｏｎａｎｄｓｔｏｃｈａｓｔｉｃｉｔｙｏｎｃｏｍｍｕｎｉｔｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎａｓｐｅｃｉｅｓ－ｒｉｃｈａｓｓｅｍｂｌａｇｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｃｏｌｏｇｙ，２０１４，１０２（１）：７４－８５．
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ａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｓｅｖｅｒｉｔｙｓｈａｐｅｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｌｏｃａｌａｎｄ
ｒｅｇｉｏｎａｌｓｐｅｃｉｅｓｒｉｃｈｎｅｓｓｉｎｐｌａｎｔｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓ［Ｊ］．Ｅｃｏｇｒａｐｈｙ，
２０１４，３８（４）：３３５－３４５．
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ｗｈｙｂｉｏｄｉｖｅｒｓｉｔｙ－ｅｃｏｓｙｓｔｅｍｆｕｎｃｔｉｏｎｉｎｇｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓａｒｅｃｏｎｃａｖｅ－
基于压电材料的振动能量采集技术研究与设计
基于压电材料的振动能量采集技术研究与设计
振动能量采集是一种能够将环境中的振动能量转化为电能的技术。基于压电材料的振动能量采集技术，作为一种非常有效的能量收集方式，在能源领域和无线传感器网络中得到了广泛的研究和应用。
压电材料是一类能够产生电荷变化的晶体材料，在外加力或振动的作用下显示出压电效应。常用的压电材料包括铅酸锌、二硼酸钠等。基于压电材料的振动能量采集技术的原理是将振动能量转化为机械能，然后通过压电材料的压电效应将机械能转化为电能。
在振动能量采集技术中，压电材料起到了至关重要的角色。它们能够将外界的振动能量转化为电能，从而为无线传感器网络等设备提供能源。举例来说，压电材料可以被应用于道路上的车辆行驶时产生的振动能量的采集，以供照明设备运行。此外，基于压电材料的振动能量采集技术还可以应用于人体健康监测、环境监测以及智能结构中的能量供给等领域。
在设计基于压电材料的振动能量采集技术时，需要考虑以下几个关键因素。
首先，合适的振动源选择是设计成功的关键。振动能量采集的效率受到振动源特性的影响，因此选择适合特定应用场景的振动源非常重要。例如，在交通道路上，车辆的振动源可以被采用，而在建筑结构中，风吹位移或地震等振动源也可以用于能量采集。
其次，需要选择合适的压电材料。不同的压电材料具有不同的性能和优缺点，因此在设计中需要根据实际需求选择适合的压电材料。一些性能指标需要考虑的包括材料的压电系数、机械耐久性、温度特性等。 接下来，需要设计合理的能量转换和集成电路电路。将机械能转化为电能需要设计合适的能量采集电路。此外，考虑到能量转换的效率和稳定性，集成电路的设计也至关重要。
在进行基于压电材料的振动能量采集技术研究时，还需要解决以下几个挑战。
首先，振动能量的低频特性限制了能量转换效率。传统的振动能量采集技术在低频范围内往往效果不佳，因此需要开展更深入的研究来提高低频振动能量的转换效率。
其次，振动能量的变化和不稳定性可能导致能量采集系统的失效。振动源的变化会导致能量输出的不稳定性，这对于需要稳定能量输入的应用来说是一个挑战。
振动能量收集技术的研究现状与发展趋势
《装备制造技术｝２ｏ１３年第ｌ２期 振动能量收集技术的研究现状与发展趋势 刘成龙’，孟爱华’，陈文艺’，李厚福 ，宋红晓 （１．杭州电子科技大学机械工程学院，浙江杭州３１００１８； ２．杭州浙大精益机电技术工程有限公司，浙江杭州３１００２７） 摘要：随着无线电通讯与微机电系统技术的快速发展，振动能量收集技术被广泛应用于微机电系统设备的供电。振动 能量收集技术可分为电磁式、静电式、压电式、磁致伸缩式和复合式等类型，其中超磁致伸缩材料应用在能量收集方面 是最新的研究热点。综述了这５种类型振动能量收集技术的基本原理，简述各自能量收集装置所使用的材料和结构形 式。比较了这５种类型的振动能量收集技术各自的优势与不足，系统地介绍国内外的主要研究成果和研究进展，以及所 面临的困难和发展趋势。 关键词：振动能量收集；电磁式；静电式；压电式；磁致伸缩式；复金式 中图分类号：ＴＭ９１ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７２—５４５Ｘ（２０１３）１２—００４３—０５ 近年来，随着无线电通讯与微机电系统（Ｍｉ— ｃｒｏ—ｅｌｅｃｔｒｏ—ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ，ＭＥＭＳ）技术的不断发 展，使得微电子设备、微传感器和可携带电子器件等 微型机电设备的应用范围不断扩大，尤其在嵌入式 系统、人体健康检测系统、环境控制系统、声纳系统， 以及军事安全应用系统等方面得到了广泛的应用『１］。 通常，这些设备依靠传统电池提供能量，如锂聚合物 电池、镍氢电池等，但传统电池存在明显的缺陷： 一是，相对于微型机电设备其体积仍然较大，限 制了微型机电设备的进一步微型化； 二是，电池化学毒性污染严重； 三是，供能寿命有限。由于传统电池这些的缺 陷，各国研究者研究从周围环境中收集能量，目的是 取代传统电池为微型机电设备供电。通常把利用一 种技术从周围环境中获取能量并将其转化为可利用 能量的过程称作能量收集，由于环境中机械振动是 最为常见且广泛存在的一种能量存在形式，通过能 量收集技术收集振动能，用于补充或取代电池具有 极大的运用前景。 ２１世纪以来，该研究方向已成为国际上的研究 热点，目前各国研究者提出的振动能量收集技术主 要包括：电磁式能量收集技术、静电式能量收集技术、 压电式能量收集技术、磁致伸缩式能量收集技术以 及复合式能量收集技术 。 １ 振动能量收集技术的形式及其机理 １．１电磁式能量收集技术 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５内的磁通量 发生变化时，回路中就会 产生感应电动势Ｅ，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，如公式（１）所示。 Ｅ＝警＝一丢 ｄＳ （１） ｄ ｄ 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。根据振动部件的 不同，可以分为动铁（磁铁振动）、动圈（线圈振动）和铁 圈同振ｆ磁铁线圈共同振动）３种类型。 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 理工学院的Ｒ．Ａｍｉｒｔｈａｒａｊａｈ、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Ｉ５－９］。其中悬臂梁式的结构研究较多，悬臂梁结构 的电磁式振动能量收集装置可以制作成小尺度ｆ晶片 收稿日期：２０１３—０９—０７ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（编号：５０９０５０５１）；浙江省重点科技创新团队资助项目（编号：Ｒ５０００３）；“海洋机电装备技 术”浙江省重中之重学科项目 作者简介：刘成龙（１９８８一），男，安徽铜陵人，在读硕士研究生，研究方向为能量收集技术；通讯作者：盂爱华（１９７８一），女，山东 莱芜人，副教授，主要从事智能材料及器件性能分析与控制、机电一体化设备开发等方面研究。
压电振动能量收集器仿真-COMSOL实验报告1
压电振动能量收集器仿真-COMSOL实验报告1
实验：压电振动能量收集器仿真
⼀．实验⽬的1.利⽤COMSOL仿真压电振动能量收集器，观察电势分布以及应⼒分布；
2.通过频率分析得出共振频率，并分析在此频率附近的负载电阻、加速度变化导致的装置能量、动量、储能变化。
⼆．实验原理
微型发电机组和⽆线发电系统的发展引起了⼈们对低功率电⼦技术的极⼤兴趣。通常，这些设备⽤于为传感器和⽆线通信系统供电，从⽽使独⽴的“⽆线传感器”能够廉价部署。通常，⽆线传感器在较长的时间内间歇性地进⾏测量，通过⽆线链路向其他传感器报告，并最终向基站报告，该基站记录所有部署传感器的读数（创建“⽆线传感器⽹络”）。这个模型分析了⼀个简单的“地震”能量采集器，它被设计成从发⽣的局部加速度变化中产⽣电能。例如，当⽆线传感器安装在振动机械上时。该模型分析的能量采集器由压电双晶⽚组成，压电双晶⽚⼀端固定在振动机械上，另⼀端安装有验证质量。
下图显⽰了设备的⼏何结构。动⼒收割机由⼀个压电双晶⽚组成，压电双晶⽚⼀端夹紧，另⼀端安装验证质量。双晶⽚内嵌⼊⼀个接地电极（与梁的中性⾯⼀致），悬臂梁的外表⾯上有两个电极。这种结构确保了外部电极上感应到相同的电压，即使中性层上下的应⼒符号相反。由于夹具安装在⼀个振动机械上，所以在振动参考系中对装置进⾏分析（在COMSOL中，通过施加正弦体载荷进⾏建模）。
三．实验主要步骤或操作要点1.选择模型
因为压电振动能量收集器可以看作在⼀个平⾯上，所以选择⼆维模型。绘制模型：利⽤简单的⼏何模型、画线、倒⾓、取并集操作绘制⼆维平⾯图形。
2.参数、材料、电场仿真设置2.1设置全局参数
2.2材料选择
这⾥选择了两种材料：1. Lead Zirconate Titanate (PZT-5A)。2. Structural steel
2.3场条件设置本实验选择了固体⼒学中的压电场，还有⼀外界电路：
2.3.1固体⼒学设置在材料阻尼⽅⾯，进⾏了线弹性材料的阻尼设置以及压电材料的机械阻尼设置：添加了体载荷设置以及固定约束：
振动能量收集技术
振动能量收集技术
振动能量收集技术是一种利用机械振动转化为电能的技术。它可以将各种形式的振动能量，如机械振动、声波振动、光电振动等转化为电能，以供电子设备使用。振动能量收集技术具有广泛的应用前景，可以应用于智能穿戴设备、无线传感器网络、无线充电等领域。
我们来了解一下振动能量收集技术的基本原理。振动能量收集技术基于能量转化原理，通过将机械振动转化为电能。一般来说，振动能量收集系统由振动能量收集器、能量转换器和能量存储器组成。振动能量收集器负责收集振动能量，能量转换器将机械振动能量转化为电能，而能量存储器则用于储存电能。
振动能量收集技术的应用领域非常广泛。首先，它可以应用于智能穿戴设备。随着智能穿戴设备的兴起，振动能量收集技术可以利用人体行走、手臂摆动等机械振动能量，为智能手表、智能眼镜等设备提供电能，从而延长其使用时间，提高用户体验。
振动能量收集技术可以应用于无线传感器网络。无线传感器网络通常由大量的传感器节点组成，这些节点需要定期更换电池以供电。而利用振动能量收集技术，可以将环境中的机械振动能量转化为电能，为传感器节点提供持续稳定的电源，从而降低了维护成本，延长了传感器网络的寿命。
振动能量收集技术还可以应用于无线充电。无线充电是一种方便、高效的充电方式，可以摆脱传统的有线充电方式。利用振动能量收集技术，可以将环境中的机械振动能量转化为电能，用于为无线充电设备供电，实现无线充电的便捷性和高效性。
除了上述应用领域，振动能量收集技术还可以应用于智能建筑、智能交通等领域。例如，在智能建筑中，可以利用楼梯的振动能量为楼梯照明系统供电；在智能交通中，可以利用道路上的车辆振动能量为交通信号灯供电。
尽管振动能量收集技术在各个领域具有广泛的应用前景，但是目前仍面临一些挑战和难题。首先，振动能量收集技术的转换效率相对较低，需要进一步提高。其次，振动能量的收集范围和收集效果受到环境条件的影响，需要进行针对性的优化设计。此外，振动能量收集技术在实际应用中还需要解决与其他技术的集成问题，如与无线通信技术的集成等。
收集振动能的摩擦纳米发电机设计与输出性能
收集振动能的摩擦纳米发电机设计与输出性能
吴晔盛; 刘启; 曹杰; 李凯; 程广贵; 张忠强; 丁建宁; 蒋诗宇
【期刊名称】《《物理学报》》
【年(卷),期】2019(068)019
【总页数】8页(P13-20)
【关键词】摩擦纳米发电机; 输出性能; 振动能量收集; 接触分离; 金属-聚合物
【作 者】吴晔盛; 刘启; 曹杰; 李凯; 程广贵; 张忠强; 丁建宁; 蒋诗宇
【作者单位】江苏大学智能柔性机械电子研究院 镇江 212013
【正文语种】中 文
1 引 言
随着社会发展, 我们生活中存在一系列被忽视的能量如:人行走时产生的机械能、穿戴衣服时产生的摩擦能、材料变形产生的形变能, 车辆行驶产生的振动能等, 它们未被开发或者使用效率低, 但它们无处不在.由此摩擦纳米发电机(TENG)开辟了新道路, 巧妙地利用上述被忽视的能量将其直接转换为电能[1−4], 实现持续供给、绿色环保、轻量化、低成本[5−8]等, 这些特点使其可以成为新的能量补充方式, 作为当前最优解决方案[9]之一来满足能量转换需求.
目前TENG得到迅速发展并不断更新, 已巧妙地与其他形式的能量结合, 如蓝色海洋能[10−12]、风能[13−15]、太阳能[16]、振动能[17]、摩擦能[18]等.为了更好地利用这些能量, 提升其电输出性能, 研究者们从材料表面 [19−21]、结构优化 [22−24]、管理电路[25,26]等方面入手不断改进TENG输出性能.另一方面, 为了有效满足各领域对能量的需求和环境适应性, 研究者们设计并研发了一系列TENG并应用于便携式电子产品[27]、传感器[28−31]、生物医学系统[32,33]等.本文设计了一种可收集振动能的垂直接触式TENG, 结合接触生电和静电感应原理分析了其工作原理, 阐述了TENG的V-Q-x关系,研究了负载电阻、振动频率等因素对TENG输出性能的影响规律.最后通过COMSOL软件对TENG进行模拟仿真计算,