磁力耦合压电能量收集器研究进展

压电能量收集器可以将环境中的振动能转化为电能,研究具有较宽工作频带范围的压电能量收集器结构,提高能量收集器的环境适应能力是需要解决的关键问题。以基于磁力耦合设计的压电能量收集器为研究对象,分析磁力单稳态、磁力双稳态、磁力多稳态、磁力驱动型、压电电磁混合型等5类磁力耦合压电能量收集器,阐述其宽频收集方法和研究进展,为宽频压电能量收集器的设计与参数优化提供理论参考。

一种高功率密度的直角螺旋压电能量收集器

为了实现振动环境下的高效能量收集,研制了一种高功率密度的直角螺旋悬臂梁压电能量收集器。分析了不同悬臂梁弧度的压电能量收集器的应力分布,研究了不同悬臂梁弧度的压电能量收集器的谐振频率、开路电压和输出功率。研究结果表明,随着悬臂梁弧度的增大,能量收集器谐振频率逐渐减小,但是内部阻抗逐渐增大,其中悬臂梁弧度为2πrad的直角螺旋能量收集器的输出性能最好。通过实验测试发现,在0.1g的加速度激励下,悬臂梁弧度为2πrad的直角螺旋能量收集器的谐振频率为265 Hz、开路电压为1.8 V,当负载为140 kΩ时,实现最大输出功率为5.79μW。与其他不同结构的压电能量收集器相比,该直角螺旋结构收集器在满足供电需求前提下,还具有较高的功率密度,在便携式微电子器件供电和工业设备故障检测方面有广阔的应用前景。

磁性液体摩擦-电磁复合能量收集器的力电耦合机制研究

基于摩擦发电和电磁感应发电原理,利用磁性液体同时作为摩擦层和磁体,文中提出一种将低频振动能转化为电能输出的磁性液体摩擦-电磁复合发电机。理论分析磁场作用下复合振动能量收集系统不同工作模块的动力学特性和力电耦合机制,借助有限元仿真软件建立复合能量收集系统磁场、电场、流体场和输出电动势的多场耦合仿真模型,设计低频正弦激励下复合能量收集系统输出电能实验测试平台,探究外部激振频率和外磁场强度等因素对电能输出特性的影响。实验结果表明,所提磁性液体摩擦-电磁复合能量收集器可以在低频环境中将振动能量有效转换为电能。

用于能量收集器的PMnN-PZT压电陶瓷

试验采用固相合成法,通过Li_(2)CO_(3)掺杂,制得高能量密度的Pb_(0.95)Sr_(0.05)[(Mn_(1/3)Nb_(2/3))_(0.04)(Zr_(0.52)Ti_(0.48))0.96]O_(3)+0.25wt%CeO_(2)+0.50wt%Yb_(2)O_(3)+0.15wt%Fe_(2)O_(3)三元系压电陶瓷材料。研究分析了掺杂不同质量分数的Li_(2)CO_(3)对PMnNPZT压电陶瓷材料的压电性能、介电性能、相组成及其微观结构的影响。结果显示:当掺杂量为0.1 wt%,烧成温度为1050℃时,材料结构致密,晶粒均匀,材料的压电和介电性能:d 33=340 pC/N,K_(p)=0.60,ε_(r)=725,tanδ=0.23%,Q_(m)=670,g_(33)=53.0×10^(-3)V·(m·N)^(-1),机电转化效率d_(33)·g_(33)为18016.8×10^(-15)m^(2)/N,满足能量收集器用压电陶瓷元件需要。

尿路结石术后使用一款带过滤功能的尿液收集器的价值研究

目的探讨尿路结石术后使用一款带过滤功能的尿液收集器的价值研究。方法采用便利抽样法抽取赣州市立医院2021年1月-2022年1月收治的输尿管结石并行尿路结石手术的120例患者,按照数字表法随机将其分为观察组和对照组,每组各60例;观察组患者用带过滤功能的尿液收集器收集尿液,对照组患者用广口塑料尿液收集器收集尿液。比较两组患者排石时间、结石排出量,医护人员职业暴露发生率,患者及医护人员满意度。结果观察组患者排石时间较短,结石排出量高于对照组(P<0.05);观察组医护人员职业暴露发生率低于对照组(P<0.05);观察组患者、医护人员满意度评分高于对照组(P<0.05)。结论尿路结石术后患者采用带过滤功能的尿液收集器收集尿液中的结石可缩短结石收集时间,提高结石排出量和患者医护人员的满意度,降低职业暴露的风险。

DNA收集器设计,无人机的新玩法

无论是拍摄美丽的风景、音乐节,还是拍摄孩子们在后院玩耍的视频,当涉及大量空间的广角视频镜头时,无人机就变得无处不在。而无人机的用途不仅是记录一个地方、一个事件,还可以用于各种事物的研究,包括森林生物多样性.

基于新型仿生压电能量收集器的电力监测传感器自供电研究

本文针对电力监测传感器自供电的难题,研究设计了一款仿生蜘蛛能量收集器。该能量收集器通过将大型变压器运转时振动产生的外界刺激力转化为电能并存储,从而实现电力监测传感器自供电。仿真结果显示,在外界的刺激力加速度振幅1.0g和110Hz振动频率下,收集器电压响应稳定,输出功率为0.640mW,能够稳定、持续地为监测传感器提供自供电。

磁致伸缩振动能量收集器的全耦合非线性等效电路模型

磁致伸缩材料具有应变大、响应速度快、稳定性好、频带宽的特点,是制作振动能量收集器的理想材料。当前磁致伸缩振动能量收集器建模主要利用线性压磁方程,此模型未能从材料自身耦合和磁路结构进行输出分析,导致输出预测误差较大。该文首先搭建了磁致伸缩材料磁特性测试装置,测试分析了磁致伸缩材料Galfenol合金在不同压应力尤其是大幅值应力下的磁特性;然后基于Gibbs自由能推导了Galfenol材料的全耦合非线性本构方程,进而构建了考虑漏磁、非线性、机磁耦合及饱和效应的振动能量收集器的等效电路模型,并对等效电路模型进行了非线性数学表征和参数识别;最后基于Galfenol材料设计了一个可以承受大幅值振动力的双棒型振动能量收集器样机,通过实验研究了收集器输出电压在不同力幅值、力频率、负载阻值等工况下的变化规律。实验结果与模型的计算结果对比分析表明,所建立的全耦合非线性等效电路模型可以准确预测振动能量收集器的输出电压特性。

悬浮式低频宽带电磁振动能量收集器

振动能量收集技术是一种解决无线传感网络供电难题的理想方案。为实现低频、宽带振动能的高效收集,设计了一种基于抗磁悬浮系统的悬浮式电磁振动能量收集器。利用抗磁悬浮系统的低刚度特性降低系统的工作频率,并通过碰撞实现振动能量收集器工作频带的拓宽。对所设计的振动能量收集器进行理论分析和实验研究,分析悬浮磁铁的抗磁悬浮机理,建立振动能量收集器的机电耦合模型,测试了不同振动激励、负载条件下振动能量收集器的电能输出特性。实验结果表明,当激励加速度为0.3g时,峰-峰电压为205 mV,最大均方根输出功率为105.7μW,工作带宽可达8 Hz。

饲料投料口用袋式粉尘收集器行业标准的研究

根据饲料投料口用单点脉冲除尘设备结构及使用特点,命名并制定了《饲料投料口用袋式粉尘收集器》行业标准。首次引入投料口风速参数,对工作区噪声、粉尘浓度及压力损失、压差监测值、过滤风速及投料口风速等指标进行了试验研究。规定了型号、基本要求、性能要求、制造及装配、安全卫生、可靠性、试验方法、检验规则、标志、包装、运输及贮存要求。针对收集器结构特点,结合试验数据研究,提出饲料投料口用袋式粉尘收集器不需要安装泄爆装置,并对压差监测报警装置给出了合理的压差数据,对压力损失参数提出了较先进的要求,对涉及安全的粉尘浓度、安全防护等进行了统一要求。

一种耐腐蚀耐高温可视化滤渣收集器的研制及应用

根据核电厂地坑过滤器安全分析要求,研制了一种耐腐蚀耐高温可视化滤渣收集器。该滤渣收集器采用两段高硼硅材料成型圆柱形筒体,筒体中间设置金属滤网用于滤渣收集,两段筒体端面采用金属法兰密封,并实现与金属管道的连接。该滤渣收集器耐碱性腐蚀、耐高温,可观察滤渣成型过程。通过独特的结构设计不仅实现了容器的密封,还避免了高硼硅玻璃与金属法兰连接因受热膨胀造成的挤压碎裂。该设备应用于秦山第三核电厂和秦山第二核电厂扩建工程的地坑过滤器安全分析试验研究,降低了化学效应对地坑过滤器滤网压降的影响,解决了现有技术中没有适用于核电厂化学效应研究设备的实际问题,为相关研究奠定了技术基础,并获得发明专利授权。

基于神经网络的压电能量收集器性能预估模型

设计了一款双稳态聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,简称PVDF)梁压电振动能量收集器,并介绍了该款收集器结构特点和工作原理。为了解决传统理论模型预测与能量收集器实际输出性能的偏差,利用人工神经网络对其结构参数、激励频率和收集电能之间的非线性关系进行建模。基于误差反向传播训练的多层前馈网络建立了双稳态PVDF梁压电能量收集器的人工神经网络模型。以质量块质量、PVDF压电梁的压缩距离以及外激振力频率作为输入变量,收集器输出电压均方根(root mean square,简称RMS)值作为输出变量,采集了不同条件下压电能量收集器的实验数据。通过将仿真预测结果与实验结果对比,验证了所设计的人工神经网络能有效地预测压电能量收集器的输出特性,且无需复杂的收集器理论建模。

多悬臂梁振动能量收集器的仿真与试验

气动系统已广泛应用于工业生产中,其工作时排出的气体直接进入大气,因而浪费了大量的能量。该文以聚偏二氟乙烯(PVDF)压电片作为能量收集器核心部件,对排出的压缩气体进行了能量收集。设计了多悬臂梁振动能量收集器,利用ANSYS有限元仿真软件分析了压缩气体进入能量收集器后的流场,通过试验测试了压电片发电效果。结果表明,入射口直径、扰流柱直径、入射口压力和入射口距扰流柱距离都会影响压电片发电效果。当入射口压力为80 kPa,负载电阻为900 kΩ时,能量收集器总功率约为120.64μW,与其他收集器相比提高了28.8%。

一种圆弧螺旋压电能量收集器

为了降低谐振频率,实现多方向收集和提高输出性能,提出了一种4π圆弧螺旋压电能量收集器。通过分析器件尺寸与输出性能之间的关系来提高器件性能,将优化后的模型进行COMSOL仿真,分析振动位移、应力以及谐振频率。相对于2π圆弧螺旋压电能量收集器,4π圆弧螺旋压电能量收集器具有更低的谐振频率和更高的输出电压。4π圆弧螺旋压电能量收集器的谐振频率为48 Hz,输出电压达到12.3 V,输出功率达到400μW。

基于抗磁悬浮的摩擦电式振动能量收集器

针对目前传统电池供电方式无法满足无线传感网络需要长期、持久工作的要求,提出了一种基于抗磁悬浮的摩擦电式振动能量收集器,通过将环境中广泛存在的能量转化为电能,实现对无线传感网络长期、稳定的供电。利用搭建的实验测试平台,研究了采集时间、激励加速度及负载电阻对输出性能的影响。实验结果表明,输出电压随着采集时间的增长出现先增大后趋于稳定的趋势;当激励加速度分别为0.2g、0.4g和0.6g时,最大输出电压分别为21.4、29.3和35.6 V,所对应的激励频率分别为19、25和28 Hz;当负载电阻约为1×10^(7)Ω时,振动能量收集器的最大输出功率为123μW,与之相对应的输出电压为38 V。

基于非对称弹簧的宽频率范围振动能量收集器

为了改善单共振点振动能量收集器频率范围窄,对环境中随机分布的宽频率范围振动能量收集功率低的问题,该文提出一种基于非对称弹簧的宽频率范围振动能量收集器。首先,在阐述振动能量收集器基本原理的基础上,分析了弯曲横梁弹簧结构特性以及关键参数对于共振频率的影响规律。在此基础上,提出一种基于非对称弹簧的宽频率范围振动能量收集装置,详细讨论了其结构的基本原理和运动模式,并对不同弹簧组合形成的收集器进行了仿真分析。最后,制作了样机进行实验,得到不同的非对称弹簧下的输出特性,其中1 mm厚度的非对称弹簧结构在67 Hz、115 Hz的振动激励下输出功率分别达到1.36 mW和0.16 mW,收集频率范围提高一倍。

一种用于电磁能量收集的可扩展宽频超表面能量收集器

设计了一种用于X波段和Ku波段电磁能量收集的可扩展宽频超表面能量收集器,其由周期性结构单元、整流器和负载组成。通过结构单元相互连接构建能量传输通道,实现入射能量的传输和聚集,进而增强了超表面能量收集器捕获能量的能力。通过超表面阵列和整流器的共面集成设计,减少了能量传输中的功率损耗,并简化了结构。仿真结果表明,该超表面能量收集器在6.5~19 GHz频带下具有良好的吸收,在12.75 GHz谐振频率下具有98%的半功率带宽。对制备的10×9的超表面有限阵列进行测试,结果表明,在可用输入功率为16 dBm时,超表面能量收集器的射频-直流转换效率最高可达56.2%。设计的超表面能量收集器具有宽带吸收、阵列数量可扩展的特点,能够在不同环境下高效地收集电磁能量。

具有双梁结构的磁致伸缩式旋转能量收集器的设计及特性分析

随着小功率电子元件的功率消耗逐渐降低到了μW级,通过将废弃振动能量采集并转化为电能为小功率电子元件供电的方法逐渐走进人们的视野。为了解决旋转环境中的小功率电子元件自供电的问题,提出了基于磁致伸缩材料的旋转式能量收集器。一方面,通过有限元软件对基底层材料进行选择,确定了最优的悬臂梁结构;另一方面,通过优化系统结构降低了系统的共振频率,且有效地提高了系统的输出电压。最终基于优化结果对收集器进行实验测试,结果表明,当基底层选择铍铜材料,利用永磁体为悬臂梁结构提供偏置磁场时,系统此时具有较好的输出特性。此时,系统的一阶共振频率为25.575 Hz,其输出电压为320 mV,当与最优电阻进行匹配时,产生232μW的电功率,此时的体积功率密度为542.615μW/cm^(3)。

组装式粪便收集器在ICU大便失禁患者中的应用

目的探讨组装式粪便收集器在ICU大便失禁患者中的应用价值。方法以2020年10月至2022年11月收治于上海市第一人民医院ICU中存在大便失禁的79例患者为研究对象,采用抽签法随机分为对照组38例,观察组41例。对照组采用医用排便清肠器进行护理;观察组采用组装式粪便收集器进行护理。比较两组患者住院期间失禁相关性皮炎(IAD)的发生率及相关费用。结果两组患者住院期间IAD发生率比较,差异均不具有统计学意义(P>0.05);观察组的大便失禁相关总费用及粪便收集装置费均低于对照组,差异具有统计学意义(P<0.05)。结论组装式粪便收集器与医用排便清肠器效果相同,且可以降低ICU大便失禁患者失禁相关费用。

催化剂粉布袋收集器故障原因分析及改进研究

煤直接液化催化剂粉布袋收集器运行过程中经常出现布袋破损及压差高的问题,分析原因是现有布袋收集器设备强度不满足“高压”、浓相输送工况,脉冲反吹系统设计压力不合理,气力输送系统与除尘器工艺适配性不佳。布袋频繁损坏,催化剂粉尘随气体直接排空,污染环境。本文详细分析催化剂粉收集器布袋损坏及压差高原因,并采取一系列改进措施,提高布袋收集器运行周期,降本增效,使催化剂粉输送系统环保参数达到国家标准,对于布袋收集器应用与发展具有借鉴意义。