基于压电材料的振动能量收集试验研究
《基于压电效应的宽带振动能量采集系统和无铅纳米发电机的研究》
《基于压电效应的宽带振动能量采集系统和无铅纳米发电机的研究》篇一基于压电效应的宽带振动能量采集系统与无铅纳米发电机的研究一、引言随着科技的发展，能源问题日益突出，如何有效地利用和回收能源成为当前研究的热点。
振动能量广泛存在于我们生活的各种环境中，利用这种被忽视的能源是当下一个重要课题。
基于压电效应的振动能量采集系统应运而生，通过利用材料的压电特性，将环境中的振动能量转换为电能。
其中，无铅纳米发电机作为新一代的振动能量采集技术，其应用和发展受到广泛关注。
本文将就基于压电效应的宽带振动能量采集系统和无铅纳米发电机的研究进行详细阐述。
二、压电效应及振动能量采集系统压电效应是一种特殊的物理现象，指某些电介质材料在特定方向上受到外部力（如压缩、拉伸）的作用时，会产生极化现象，形成电极化的效应，即所谓的“以力生电”。
这一现象使得材料可以在环境振动的情况下，实现将机械能转换为电能的过程。
利用这种原理的振动能量采集系统可以将周围的机械能转换为可利用的电能。
传统的振动能量采集系统通常使用铅基压电材料，但考虑到环保和健康因素，无铅压电材料的研究和应用逐渐成为主流。
这些系统通常包括传感器、压电材料、电路等部分，通过传感器检测环境中的振动，然后利用压电材料的压电效应将振动能转换为电能。
三、无铅纳米发电机的研究无铅纳米发电机是近年来新兴的一种振动能量采集技术。
与传统的压电材料相比，无铅纳米发电机具有更高的能量转换效率和更广泛的应用领域。
它采用纳米材料制备而成，其优点包括良好的柔韧性、轻便性以及环保性等。
无铅纳米发电机的原理主要依赖于纳米材料的特殊性质和结构。
当材料受到外力作用时，其内部的电子结构和晶体结构会发生变化，产生电压。
通过连接适当的电路，这个电压可以转化为可用的电能。
同时，纳米材料还具有更大的比表面积和更强的电荷转移能力，从而提高了能量的转换效率。
四、宽带振动能量采集系统的研究为了更有效地利用环境中的振动能量，我们研究了宽带振动能量采集系统。
基于压电材料的中低频振动能量收集研究
基于压电材料的中低频振动能量收集研究随着能源消耗的增加和气候变化的加重，开发新型高效可再生能源已成为国际社会面临的重要任务。
其中，振动能源收集技术在实现可持续能源的方面具有重要的应用价值。
压电材料是目前振动能量收集技术中最常用的材料之一。
本文将介绍压电材料的特性及其在中低频振动能量收集中的应用研究。
一、压电材料的基本原理压电材料是一种具有压电效应的晶体材料。
当施加电场时，其晶体结构发生畸变，导致材料产生四极矩电荷分布，从而产生电势差。
压电材料具有高灵敏度、高效率、广泛的频率响应范围等优点，在振动能量收集领域有着很大的应用前景。
二、压电材料在中低频振动能量收集中的应用1. 压电振动发电器压电振动发电器是一种将机械振动能量转化为电能的设备。
其工作原理是利用压电效应，将机械振动转化为电能。
常见的压电振动发电器有谐振式压电振动发电器和非谐振式压电振动发电器。
谐振式压电振动发电器利用压电材料的谐振特性，增加振动能量转化的效率。
非谐振式压电振动发电器则不考虑谐振条件，直接将机械振动能量实时转化为电能。
2. 压电能量收集系统压电能量收集系统是利用压电材料将振动能量转化为电能的集成化系统，包括多个能量转换单元、电压调节单元、能量存储单元等。
压电能量收集系统具有灵敏度高、精度高、工作稳定等特点，可以应用于各种中低频振动场合。
3. 压电扬声器压电扬声器利用压电效应将电能转化为机械振动，从而实现声音的放大。
压电材料具有高效能的振动响应，因此可以用于制作高效能的压电扬声器。
三、压电材料在中低频振动能量收集中的研究进展近年来，国内外学者对压电材料在中低频振动能量收集中的应用进行了深入研究。
其中包括压电振动发电器的设计优化、压电能量收集系统的集成化设计优化、压电材料的功能化修饰等。
例如，美国密歇根大学与俄亥俄州州立大学的学者合作研究发现，将压电材料与纤维组合成复合材料后，可以获得较高的压电转化效率和机械强度，从而实现中低频振动能量的收集。
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. 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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。
基于压电效应的振动能量采集技术研究与应用
基于压电效应的振动能量采集技术研究与应用振动能量采集技术是近年来新兴的能量采集技术之一，它可以将机械振动能转换为电能，用于供电。
传统的机械振动能量采集技术存在着运动部件易损坏、一般工况下效率较低等问题，因此开发一种高效且具有良好可靠性的振动能量采集技术尤为重要。
本文将介绍一种基于压电效应的振动能量采集技术及其在工业、医疗行业中的应用。
压电效应是压力作用下某些晶体（如石英、氧化锆）产生电荷的现象。
这种电荷的大小与作用在其表面上的力的大小成正比。
基于此原理，压电效应被应用于振动能量转换。
这种振动能量采集技术主要包括振动能量收集、电路能量转换和电池储存三个方面。
首先是振动能量的收集。
振动能量可以通过杆、弹簧和干涉型等不同结构的振动力传感器进行收集。
其中，干涉型振动力传感器具有更高的灵敏度和更宽的采集范围。
该传感器由两个压电陶瓷构成，当受到振动力时，两个压电陶瓷之间会发生形变，从而产生电荷。
这种传感器可以将较小的振动力转换成电信号，并输出到接收电路中。
接下来是电路能量转换。
振动能量在传感器中产生的电信号非常微小，因此需要进行放大和滤波。
接收电路一般由放大器、整流器和能量管理电路组成。
放大器可以将电压放大几倍，整流器将交流电转变为直流电，能量管理电路则可以将转换后的电能存储在电池中。
最后是电池储存。
振动能量采集技术的最终目的就是通过将机械能转换为电能，完成设备的供电。
因此需要将采集到的电能进行储存并应用到实际的设备中。
常用的储能器件有电容器、铅酸蓄电池和锂离子电池等。
不同的储能器件具有不同的特性，需要根据具体的需要进行选择。
基于压电效应的振动能量采集技术不仅可以用于一些较小的电子设备，如手表、遥控器等，还能应用于一些大型的设备上。
例如，振动式微动器（MEMS）需要应用在一些对电池寿命要求较高的设备中，使用机械振动能量采集技术可以避免频繁更换电池的问题。
此外，振动能量采集技术还广泛应用于制药、医疗、无线传感器网络等领域。
压电材料在能量收集与传感应用中的研究
压电材料在能量收集与传感应用中的研究压电材料是目前研究的热点之一，它的应用范围涉及到能量收集、传感、控制等多个领域。
本文着重讨论压电材料在能量收集与传感应用中的研究，分别从压电材料能量收集基础原理、能量收集技术、压电材料在传感应用中的优势等方面进行探讨。
一、压电材料能量收集基础原理压电效应是指某些物质在受到压力作用时会生成电荷分布，在电场作用下也会发生反向变换。
通过这种效应，可以将机械能转化为电能，从而实现能量的收集与转换。
压电材料的压电效应主要是由于其晶格的不对称性造成的，这种晶格不对称性使得材料在受到压力时，会重新排列其内部电荷分布，进而产生一个电荷差。
这种电荷差可被收集并存储在外部电容器中，从而实现能量的收集。
同时，当外部电场作用于压电材料时，这种电荷差会再次引起物质的机械变形。
二、能量收集技术能量收集技术是指将机械能转换为电能的一种技术，其中压电材料是其中的一种实现手段。
基于压电效应的能量收集技术主要有以下几种：1.压电振动能量收集技术这种技术是指利用压电材料在振动时会产生电荷差的特性，通过将压电材料安装在振动体上，将振动能量转换为电能。
这种技术具有结构简单、易于实现、高效率等优点。
2.压电力量级能量收集技术这种技术是指利用压电材料在受到力的作用时会产生电荷差的特性，通过将压电材料安装在受到力的部位上，将力能量转换为电能。
这种技术适用于低频率、高能量的力量级能量收集场合。
3.压电流体能量收集技术这种技术是指利用流体在通过压电材料时会发生压电效应的特性，通过将压电材料安装在流体管道中，将流体动能转换为电能。
这种技术适用于高速流体流动场合。
三、压电材料在传感应用中的优势除了在能量收集方面的应用，压电材料还被广泛应用于传感方面。
相比于其他传感材料，压电材料具有如下优势：1.灵敏度高采用压电材料作为传感器的灵敏度很高，其响应速度可做到毫秒级。
2.频率响应范围宽由于压电材料的机械特性，其频率响应范围非常宽，可以涵盖从低频到高频的信号。
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。
《基于压电效应的宽带振动能量采集系统和无铅纳米发电机的研究》
《基于压电效应的宽带振动能量采集系统和无铅纳米发电机的研究》篇一基于压电效应的宽带振动能量采集系统与无铅纳米发电机的研究一、引言随着科技的发展，能源问题日益突出，传统能源的不可再生性和环境污染问题，使得寻找可再生、清洁的能源方式成为研究的热点。
在此背景下，振动能量采集技术作为一种新型的能量获取方式，具有广泛的应用前景。
本文将重点探讨基于压电效应的宽带振动能量采集系统以及无铅纳米发电机的研究。
二、压电效应与振动能量采集系统压电效应是指某些晶体在受到外力作用时，会在其表面产生电荷的现象。
利用这一原理，我们可以将环境中的振动能量转化为电能。
宽带振动能量采集系统则是通过设计合理的结构和电路，以实现对不同频率、不同幅值的振动能量的有效采集。
（一）宽带振动能量采集系统的基本原理系统主要由压电材料、能量收集电路和储能设备三部分组成。
压电材料在受到振动时产生电荷，能量收集电路将产生的电荷进行收集并转化为可用的电能，最后由储能设备进行存储。
（二）压电材料的选择与应用压电材料是振动能量采集系统的核心部分，其性能直接影响到系统的整体性能。
目前常用的压电材料主要有铅基压电材料和无铅压电材料。
铅基压电材料具有较高的压电性能，但环境污染严重；无铅压电材料则具有环保、无毒等优点，但压电性能相对较低。
因此，在保证性能的同时，我们应尽量选择环保的无铅压电材料。
三、无铅纳米发电机的研究无铅纳米发电机是利用纳米技术制备的一种新型压电能量采集装置。
与传统的压电能量采集系统相比，无铅纳米发电机具有更高的能量转换效率和更广泛的应用范围。
（一）无铅纳米发电机的制备技术无铅纳米发电机的制备主要采用纳米技术，通过设计和制备具有优良压电性能的纳米结构，如纳米线、纳米片等，从而实现高效地将环境中的振动能量转化为电能。
（二）无铅纳米发电机的性能优化为了进一步提高无铅纳米发电机的性能，我们可以通过优化其结构、改善材料性能、提高界面匹配等方式，提高其能量转换效率和输出功率。
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《基于压电效应的宽带振动能量采集系统和无铅纳米发电机的研究》篇一基于压电效应的宽带振动能量采集系统与无铅纳米发电机的研究一、引言随着科技的不断发展，人们对于可再生能源的需求越来越迫切。
在这样的背景下，振动能量采集技术作为一种新兴的绿色能源技术，受到了广泛的关注。
其中，基于压电效应的宽带振动能量采集系统以及无铅纳米发电机的研究，更是成为了该领域的研究热点。
本文将就这两项技术进行深入的研究和探讨。
二、压电效应与宽带振动能量采集系统压电效应是指某些晶体在受到外力作用时，会在其内部产生电势差，从而产生电流的现象。
利用这一原理，我们可以设计出一种基于压电效应的宽带振动能量采集系统。
该系统通过收集周围环境中的振动能量，并将其转化为电能。
与传统的发电方式相比，该系统具有高效、环保、可靠等优点。
它可以通过不同的设计策略来收集各种不同频率和幅度的振动能量，实现宽频带振动能量的高效利用。
此外，这种系统还具有成本低、易维护等优点，因此在各种领域都有着广泛的应用前景。
三、无铅纳米发电机的研究随着环保意识的日益增强，无铅材料成为了研究领域的新热点。
无铅纳米发电机就是利用无铅材料制成的纳米发电机。
与传统的压电材料相比，无铅纳米发电机具有更好的环境友好性和更高的能量转换效率。
无铅纳米发电机的设计主要依赖于纳米技术的进步。
通过设计和制备具有特定结构和性能的无铅纳米材料，可以有效地提高其压电性能和能量转换效率。
此外，纳米材料还具有较大的表面积和较高的机械强度，这有助于提高其在振动能量采集过程中的性能表现。
四、宽带振动能量采集系统与无铅纳米发电机的结合应用将基于压电效应的宽带振动能量采集系统与无铅纳米发电机相结合，可以进一步提高系统的能量转换效率和稳定性。
这种组合方式可以充分利用无铅纳米发电机的优异性能和宽带振动能量采集系统的宽频带特性，实现高效、环保的能源利用。
在实际应用中，这种组合系统可以广泛应用于各种领域，如智能交通、航空航天、医疗健康等。
压电振动与储能实验
压电振动发电及储能实验说明
一、实验内容
图1为悬臂梁结构能量收集实验平台，其中能量收集器采用两片并联的压电陶瓷片，尺寸为38mm×30mm×0.5mm。
图1 悬臂梁结构能量收集实验平台
经试验，在处于谐振频率38.7Hz左右，压电陶瓷开路电压峰峰值约为12V 时，充电耗时约27分钟。
二、实验装置功能
1. 将压电材料产生的电能存储在超级电容中；
2. 当输出电压稳定（即超级电容充满），打开开关，发光二极管点亮；
3. 充电过程中，通过电压表头可以观察到输出电压的电压值。
图2 充电完成打开开关效果图
三、实验用到的装置模块
1. 振动台一个
2. 功率放大器一个
3. 数字示波器一个
4. 压电收集模块一个
其中，本模块采用凌利尔特公司的能量收集芯片LTC3588-1对压电材料（如压电陶瓷、压电纤维）产生的能量收集应用。
LTC3588-1芯片的输入电压范围为2.7V～20V；通过短路帽的选择，输出电压可以设定为1.8V、2.5V、3.3V或3.6V （默认）。
四、实验效果
在0～2V时，电压变化十分明显；在2～3.6V时电压变化相对缓慢。
图2为充电完成效果图，图3为充电完成后打开开关效果图。
图3 充电完成后打开开关效果图。
《基于压电效应的宽带振动能量采集系统和无铅纳米发电机的研究》范文
《基于压电效应的宽带振动能量采集系统和无铅纳米发电机的研究》篇一基于压电效应的宽带振动能量采集系统与无铅纳米发电机的研究一、引言随着物联网、可穿戴设备及无线传感网络的快速发展，能源问题日益凸显。
传统的电池供电方式存在更换不便、寿命有限等缺陷，因此，研究者们开始探索从环境中采集能量的新型技术。
其中，基于压电效应的振动能量采集技术因其独特优势，成为了研究的热点。
本文将重点研究基于压电效应的宽带振动能量采集系统以及无铅纳米发电机，探讨其工作原理、性能优化及实际应用。
二、压电效应及宽带振动能量采集系统压电效应是指某些电介质在机械应力作用下发生极化，从而在两个相对表面产生电荷的现象。
基于这一原理，我们开发了一种宽带振动能量采集系统。
该系统利用外界振动能量，通过压电材料将机械能转化为电能，从而实现能量的收集与利用。
该宽带振动能量采集系统主要由压电材料、能量收集电路和储能元件三部分组成。
其中，压电材料是系统的核心，其性能直接决定了系统的能量转换效率。
我们选用的压电材料具有高灵敏度、宽频带的特点，能够适应不同频率的振动。
能量收集电路则负责将压电材料产生的微弱电流进行整流、滤波和放大，以便于后续的能量存储和使用。
储能元件则用于存储电能，以便在需要时为其他设备供电。
三、无铅纳米发电机的研究为了进一步提高振动能量采集系统的性能，我们研究了无铅纳米发电机。
无铅纳米发电机以纳米技术为基础，通过将纳米材料与压电材料相结合，实现了高效率的能量转换。
无铅纳米发电机采用环保的无铅材料，具有较高的压电性能和良好的生物相容性。
纳米材料的引入使得发电机在尺寸上更小、重量更轻，同时提高了发电机的灵敏度和稳定性。
此外，纳米材料的特殊结构还具有优异的机械性能和耐候性能，使得发电机能够在各种恶劣环境下工作。
四、实验结果与分析我们对基于压电效应的宽带振动能量采集系统和无铅纳米发电机进行了实验验证。
通过在不同频率和幅度的振动条件下测试系统的输出性能，我们发现该系统具有较高的能量转换效率和良好的稳定性。
《基于减振器横向振动的压电能量回收电路的研究》
《基于减振器横向振动的压电能量回收电路的研究》一、引言随着科技的发展，汽车工业正逐步迈向更加环保和高效的方向。
为了降低车辆行驶中的振动和噪声，减振器在汽车上的应用日益广泛。
而在此过程中，减振器产生的振动能量往往被忽视，这些能量在传统设计中并未得到有效的利用。
压电能量回收技术作为一种新兴的能量回收方式，能够将机械能转化为电能，因此被广泛应用于各种振动能量回收的场景中。
本文将重点研究基于减振器横向振动的压电能量回收电路，以期实现振动能量的有效利用。
二、压电能量回收技术概述压电能量回收技术利用压电材料的特性，将机械振动转化为电能。
压电材料在受到外力作用时，会产生电势差，从而将机械能转化为电能。
这种技术具有结构简单、成本低廉、无需额外电源等优点，因此在振动能量回收领域具有广泛的应用前景。
三、减振器横向振动分析减振器在车辆行驶过程中，会受到来自路面的各种振动。
这些振动主要表现在减振器的横向振动上。
通过分析减振器横向振动的特性和规律，我们可以确定压电能量回收电路的设计方向和参数选择。
此外，对减振器横向振动的有效利用，还可以提高车辆的行驶平稳性和乘坐舒适性。
四、压电能量回收电路设计针对减振器横向振动，本文设计了一种基于压电材料的能量回收电路。
该电路主要由压电元件、整流电路、滤波电路和储能元件组成。
压电元件将横向振动转化为电能，整流电路将交流电转化为直流电，滤波电路去除电能中的杂波干扰，储能元件则将电能储存起来以供后续使用。
五、电路性能分析通过对所设计的压电能量回收电路进行性能分析，我们发现该电路具有较高的能量转换效率和较低的能量损耗。
此外，该电路还具有较好的稳定性和可靠性，能够在各种环境下正常工作。
这些优点使得该电路在减振器横向振动能量回收领域具有广阔的应用前景。
六、实验验证及结果分析为了验证所设计压电能量回收电路的有效性，我们进行了实际实验。
通过将该电路安装在减振器上，并对其在不同工况下的性能进行测试，我们发现该电路能够有效地将减振器横向振动能量转化为电能。
低频多方向压电振动能量收集技术研究
低频多方向压电震动能量收集技术探究随着能源的紧缺和环保意识的增强，能源收集和利用成为了当前的探究热点。
压电震动能量收集技术凭借其高效、可靠的特点，成为了一种备受关注的能源收集技术。
本文盘绕低频多方向压电震动能量收集技术展开探究，旨在探究其在能源收集领域的应用前景和潜力。
一、低频震动能量收集技术的背景低频震动是指频率在10Hz以下的震动，常见于机械设备、交通工具和自然环境中。
低频震动能量的收集对于提高能源利用效率、延长设备寿命以及实现可持续进步具有重要意义。
二、压电材料的特点及应用1. 压电材料的特点：压电效应是指在将机械力作用于压电材料时，产生相应的电荷和电势差；而反过来，当施加电场时，压电材料会发生形变。
这种特性使得压电材料在能量收集领域具备了良好的应用潜力。
2. 压电材料的应用：压电材料广泛应用于压力传感、能量收集和驱动器件等领域。
特殊是在低频震动能量收集技术中，通过将压电材料应用于能量传递系统中，可以将机械能转化为电能。
三、低频多方向压电震动能量收集技术的原理和方法1. 多方向压电震动能量收集系统：该系统由多个压电震动收集单元组成，每个单元都能够感知不同方向的低频震动，并将其转化为电能。
通过将多个单元串联或并联，可以同时感知多个方向的震动能量。
2. 压电震动能量收集机制：当震动力作用于压电材料时，材料具有压电效应，从而产生电荷和电势差。
通过收集和储存这些电荷和电势差，可以实现能量的捕获和转化。
3. 多方向压电震动能量收集方法：接受压电材料制成的震动传感器，能够感知不同方向的震动并产生相应电荷。
将这些震动传感器放置在设备或结构表面，并通过毗连电路将各个传感器的电荷进行收集和整合。
四、低频多方向压电震动能量收集技术的应用前景1. 能源收集领域：低频多方向压电震动能量收集技术可应用于各种机械设备和交通工具中，通过收集设备或车辆震动能量，提供可再生能源，缩减对传统能源的依靠。
2. 自供电传感器：将低频多方向压电震动能量收集系统应用于传感器中，可以实现对传感器的自供电，缩减电池更换频率，提高传感器的可靠性和持久性。
《基于压电效应的宽带振动能量采集系统和无铅纳米发电机的研究》
《基于压电效应的宽带振动能量采集系统和无铅纳米发电机的研究》基于压电效应的宽带振动能量采集系统与无铅纳米发电机的研究一、引言随着物联网（IoT）设备的不断发展和普及，对于微型化、低功耗、高效能的能源采集系统提出了新的要求。
在这样的背景下，基于压电效应的宽带振动能量采集系统和无铅纳米发电机技术显得尤为重要。
这两项技术为新型的能源收集与利用方式提供了可能性，它们可以有效地从环境中的振动能量中获取电能，具有广阔的应用前景。
二、压电效应与宽带振动能量采集系统压电效应是指某些电介质在受到压力作用时，其内部正负电荷中心发生相对位移，从而产生电极化的现象。
利用这一效应，我们可以设计出基于压电效应的宽带振动能量采集系统。
这种系统主要通过敏感地响应各种频率和幅度的外部振动，并将其转换为电能。
系统的核心部件是压电材料，它能够将机械能直接转换为电能。
此外，系统还包含信号处理和能量管理模块，用于优化能量转换效率和存储。
三、无铅纳米发电机的研究无铅纳米发电机是一种新型的能源收集装置，其核心在于使用无铅的纳米材料以提高压电效应的效率。
与传统的压电材料相比，无铅纳米材料具有更高的能量转换效率和更好的环境友好性。
在研究无铅纳米发电机的过程中，我们需要关注其制备工艺、性能优化以及实际应用等方面。
首先，制备工艺需要精细控制，以确保纳米材料的均匀性和稳定性。
其次，性能优化则需要通过改进材料结构和提高材料性能来实现。
最后，实际应用需要考虑如何将无铅纳米发电机与能源管理系统相结合，以实现最佳的能源收集和利用效果。
四、宽带振动能量采集系统与无铅纳米发电机的结合应用将基于压电效应的宽带振动能量采集系统与无铅纳米发电机相结合，可以进一步提高能源收集的效率和效果。
这种组合方式可以更广泛地响应各种频率和幅度的外部振动，同时利用无铅纳米材料的高效压电效应，实现更高的能量转换效率。
在具体应用中，这种组合系统可以用于为物联网设备、无线传感器等低功耗设备提供持续的能源供应。
压电材料在能量收获中的应用研究
压电材料在能量收获中的应用研究第一章概述压电材料是一种具有压电效应的晶体材料，它能够将机械能转化为电能或者将电能转化为机械能。
这种特性使得压电材料在能量收获方面具有广泛的应用前景。
本文将探讨压电材料在能量收获中的应用研究。
第二章压电材料的基本特性压电材料主要包括晶体和陶瓷两种类型。
晶体包括石英、铅锆钛矿等，陶瓷包括铅锆钛酸钠、铅镁铌酸钛等。
这些材料具有以下基本特性：1. 压电效应：在机械变形作用下，材料能够生成电荷；在电场作用下，材料能够发生机械变形。
2. 热释电效应：在材料被加热时，会产生电势差。
这种效应被广泛应用于火力发电和太阳能发电等领域。
3. 机械耦合效应：在机械变形作用下，材料的电特性会改变，反之亦然。
这种效应被广泛用于振动感应器等领域。
根据以上特性，可见压电材料在能量收获中的应用具有较高的潜力。
第三章压电材料在振动能量收获中的应用振动能量收获是一种能够将振动能量转化为电能的技术，其中压电材料就是其中的重要组成部分。
通过这种技术，可以从工业机器、汽车、桥梁等结构的振动中收集电能，为电子设备供电。
利用压电材料实现振动能量收获的原理是：将压电材料固定在振动板上，当振动板发生振动时，压电材料便开始产生电荷。
通过在压电材料周围加装电路连接器将这些电荷采集回来，并通过电路调节和储存最终转化为电能。
与其他振动能量收获技术相比，利用压电材料的振动能量收获具有以下优点：1. 适用范围广：可以适用于多种不同频率、不同振幅的振动场景。
2. 成本低：由于材料较为常见，成本较低，且结构简单，因此造价较低。
3. 极佳的稳定性：由于无需误差补偿，因此该技术具有极佳的稳定性和耐用性。
目前，压电材料在振动能量收获领域的应用已经日益普及，在未来将会进一步扩大。
第四章压电材料在无线感知网络中的应用无线感知网络是由一组具有无线通信功能的低成本、低功耗的节点组成的系统，可实现地理空间上的分布式感知和处理。
由于节点往往分布在较难到达的区域，带电电池的寿命有限，给无线感知网络的实现带来了一定的难度。
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 steel2.3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：2.32静电场设置进行了零电荷的边界选择以及初始电势为0的域选择：电荷守恒的域选择：最后为了与外电路相连接，设置了电路的接地与终端：2.3.3电路设置添加了负载电阻以及设置了终端：2.3.4网格设置考虑到计算机的运算时间以及网格的密度，选择自由三角形网格：四．实验数据1.频域研究：扫描范围为62到80Hz，无辅助扫描。
利用压电效应的振动能收集技术
利用压电效应的振动能收集技术近年来，随着科技的不断进步，人们对能源的需求也越来越大。
同时，对于可再生能源的开发和利用也成为了当今社会的热点话题。
在这个背景下，利用压电效应的振动能收集技术逐渐受到人们的关注。
压电效应是指一种物质在受到机械应力或压力时，会产生电荷分离的现象。
这种现象最早在1880年被法国物理学家皮埃尔·居里和雅克·居里夫妇发现。
他们发现，在某些晶体中，当晶体受到外力变形时，晶体内部的正负电荷会发生分离，从而产生电势差。
这一现象被称为压电效应。
利用压电效应的振动能收集技术，就是利用压电材料的特性，将振动能转化为电能。
这一技术的原理是，当压电材料受到振动时，会产生电荷分离，从而产生电势差。
通过将压电材料连接到电路中，可以将这些电荷收集起来，转化为可用的电能。
压电效应的振动能收集技术具有许多优点。
首先，它是一种可再生的能源收集方式。
与化石燃料相比，振动能是一种无限可持续的能源，可以通过人们日常生活中的各种振动源收集能量，比如交通工具的震动、楼房的震动等。
其次，这种技术具有高效性。
压电材料的转换效率较高，可以将振动能转化为电能的效率在20%到80%之间。
此外，这种技术还具有灵活性和可扩展性。
压电材料可以根据不同的需求进行设计和制造，可以适应各种不同的振动环境。
利用压电效应的振动能收集技术在各个领域都有广泛的应用。
在交通领域，这一技术可以用于收集汽车、火车等交通工具的振动能，从而为车辆提供电能，减少对传统能源的依赖。
在建筑领域，这一技术可以用于收集楼房的震动能，为建筑物提供电能，提高能源利用效率。
在电子设备领域，这一技术可以用于收集手机、平板电脑等电子设备的振动能，为电子设备提供电能，延长电池寿命。
此外，这一技术还可以应用于航空航天、军事等领域，为各种设备提供电能支持。
当然，利用压电效应的振动能收集技术也存在一些挑战和限制。
首先，目前压电材料的转换效率还有待提高。
虽然已经取得了一定的进展，但仍然有很大的提升空间。
【7A版】基于压电材料的振动能量收集技术研究
(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！)题目基于压电材料的振动能量收集技术研究学生姓名井创学号1116014113所在学院机械工程学院专业班级测控技术与仪器1104班指导教师王楠完成地点陕西理工学院图书馆2015年5月30日基于压电材料的振动能量收集技术研究井创（陕西理工学院机械工程学院测控技术与仪器11级04班，陕西汉中723000）指导教师：王楠[摘要]伴随着无线传感器网络技术和可携带器件的发展，电池续航供能成为其发展的瓶颈之一。
为了获得无线生命周期的自主供电系统，利用周围环境的振动能转换为电能为电子器件供电成为亟待解决的问题。
其中利用压电材料把振动能转换为电能越来越受到关注，成为能量领域的研究热点。
然而目前存在的问题是，等效电路模型理论有待进一步完善；器件产生的输出电压较小，器件结构有待改进；手机电路及收集器件需进一步优化等。
针对以上问题，本文对目前国内外压电振动能量收集的发展状况进行了研究，对压电材料的类型、振动模式以及收集电路和器件进行了比较分析，提出了压电振动能量收集器的研究内容。
最后，对全文工作进行了总结，并且对下一步计划进行展望，提出新的研究思路。
[关键词]振动能；压电效应；压电材料；能量收集电路ResearchonVibrationEnergyHarvestingTechnologyBasedonPiezoelectricmaterialJingChuang（Grad11，Class04,MajorTechniqueandinstrumentationofMeasurements,Mecha nicalEngineeringDept.,ShaanGiUniversityofTechnology,Hanzhong723000,ShaanGi）Tutor:WangNanAbstract:Withthedevelopmentofwirelesssensornetworktechnolo gyandportabledevices,thepowersupplyviathebatterybecomesoneoft hebottlenecks.Inordertoachievefinitelifetimeofself-poweredsystems, thedesideratingthingistoprovideelectricenergyforsuchdevicesandnet worksbyutilizingthevibrationenergyfromtheambientenvironment.Co nvertingvibrationenergyintoelectricenergyintoelectricenergybypiezo electricmaterialsattractsmoreandmoreattentionandbecomesthemicr opowerfield.Howevertheproblemsarethatthemodelingtheorydeman d.Accordingtotheaboveproblems,thisdissertationinvestgatedthede velopmenttrendofthepiezoelectricvibrationenergyenergytheend,the workofthisdissertationaresunnarizedbriefly,andneGtworkisfiguredout,includingthenovelresearchideas.Keywords:Vibrationenergy,Piezoelectriceffect,Piezoelectricmater ials,EnergyRoberts等于20GG年提出一种新型可调谐的电磁振动微发电机，并对尺寸进行了优化设计来达到输出电压和功率的最大化。
《基于压电效应的宽带振动能量采集系统和无铅纳米发电机的研究》
《基于压电效应的宽带振动能量采集系统和无铅纳米发电机的研究》篇一基于压电效应的宽带振动能量采集系统与无铅纳米发电机的研究一、引言随着科技的发展，能源问题日益突出，传统的能源供应方式面临着巨大的挑战。
因此，寻找可再生、环保的能源已成为科研领域的重要课题。
其中，振动能量采集技术因其能够从环境中的振动中获取能量而备受关注。
本文将重点研究基于压电效应的宽带振动能量采集系统及无铅纳米发电机的研究。
二、压电效应及其应用压电效应是指某些物质在受到外力作用时，其内部电荷分布发生变化，从而产生电压的现象。
这一效应被广泛应用于振动能量采集领域。
传统的压电材料，如铅基压电材料，虽具有良好的压电性能，但因其含有毒性元素铅，对环境和人体健康造成潜在危害。
因此，研究无铅压电材料，成为当前的重要研究方向。
三、宽带振动能量采集系统宽带振动能量采集系统是利用压电效应将环境中的振动能量转化为电能的一种装置。
该系统主要由压电材料、振动传感器、能量转换电路等部分组成。
其中，压电材料是实现能量转换的关键。
为了实现更高效的能量转换，研究人员不断探索新型的宽带振动能量采集系统。
四、无铅纳米发电机的研究无铅纳米发电机是利用纳米技术制备的具有压电效应的无铅材料制成的发电机。
相较于传统的压电材料，无铅纳米发电机具有更高的能量转换效率和更好的环境友好性。
目前，研究人员正在致力于优化无铅纳米发电机的制备工艺和性能，以提高其在振动能量采集领域的应用潜力。
五、实验设计与分析为了验证宽带振动能量采集系统和无铅纳米发电机的性能，我们设计了一系列实验。
首先，我们对比了不同压电材料在宽带振动能量采集系统中的性能表现，发现无铅纳米发电机在能量转换效率上具有显著优势。
其次，我们研究了无铅纳米发电机的制备工艺对性能的影响，发现通过优化制备条件，可以进一步提高其性能。
此外，我们还对系统的长期稳定性和环境适应性进行了评估，发现该系统具有良好的长期稳定性和较强的环境适应性。
基于压电材料的振动发电装置的研究
基于压电材料的振动发电装置的研究一、本文概述Overview of this article随着科技的发展和环保理念的深入人心，振动能作为一种广泛存在且可再生的能源形式，正逐渐受到人们的关注。
压电材料，作为一种能将机械能转化为电能的特殊材料，在振动发电领域具有广阔的应用前景。
本文旨在探讨基于压电材料的振动发电装置的研究现状、设计原理、性能优化及其在实际应用中的潜力与挑战。
With the development of technology and the deepening of environmental protection concepts, vibration energy, as a widely existing and renewable form of energy, is gradually receiving people's attention. Piezoelectric materials, as a special material that can convert mechanical energy into electrical energy, have broad application prospects in the field of vibration power generation. This article aims to explore the research status, design principles, performance optimization, and potential and challenges in practical applications of vibration power generation devices based onpiezoelectric materials.本文将首先介绍压电材料的基本概念和特性，阐述其将振动能转化为电能的原理。
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第27卷第3期2010年6月现代电力M oder n Electr ic P owerVol127No13June2010文章编号:100722322(2010)0320070205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 tudy on Vibration Energy Collection Based on Piezoelectric MaterialRen Siyuan,H e Q ing(School of Energy,P ower and Mechanical Engineering,North China Elect ric Power Univer sity,Beijing102206,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 e2 quivalent electrical model of the material,an experimental system has been designed to convert the energy of vibration into the elect ric power.The experimental system takes the real time requirement of condition monitoring and faults di2 agnosis as background and aims at the application of the power supply for wireless sensor network nodes.It consists of piezoelectric ceramics,vibration shaker,rectifier con2 verter,charge circuit,Lithium battery,etc.,the experi2 mental scheme is accomplished to convert and collect the vi2 brat ion energy of the piezoelectric material with synthesizing rectifier,switching part and super capacitor.A small device has been analyzed and verified with experiments and the re2 corded data.The experiment shows that vibration energy can be converted to electrical energy and then electrical en2 ergy is stored in Super Capacitor,intermittently charged through switching part into charge chip,and stored in a lith2 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3514335静电式444电磁式2418400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。
111 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112 模型系统功能¹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。
º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。
¼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4135~6V 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Kelvin 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 1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 25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 28019G 产生正弦信号,经GF 220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。