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 :

Marin 等人提出的输出功率公式为:

4~.

OC

P L forQ

→∞

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