压电振动能量收集装置研究现状及发展趋势

随着无线技术及微机电技术的日益发展,以化学电池为主的供能方式的弊端日渐显露,压电振动能量收集装置以其结构简单、清洁环保及易于微型化等诸多优点而得到了极大重视。从振动能量收集常用的压电材料及其压电性入手,从压电振动能量收集装置的结构设计和能量收集电路设计两方面对其进行阐述。在结构设计方面,以压电振动能量收集结构的方向性和响应频带为主线,详细介绍国内外研究者在压电振动能量收集装置结构设计上的变化与创新;在能量收集电路设计方面,以能量收集效率的提高为主线,介绍了电路结构的优化改进。最后,总结了压电振动能量收集装置未来的研究趋势和方向,为从事压电振动能量收集研究的人员提供参考。

蒲公英状压电振动能量收集装置宽频带设计

研究了蒲公英状压电振动能量收集装置的宽频带设计,以解决环境振源振动频率多变的问题。建立了蒲公英状压电振动能量收集装置谐振频率的理论模型并进行了数值模拟,结果表明,该能量收集装置的谐振频率并不是可以任意拓展的。为验证理论分析的正确性,进行了蒲公英状压电振动能量收集装置的频率响应实验,得到的实验结果与理论分析基本吻合,说明了本文理论分析的可靠性。最后对宽频带的蒲公英状压电振动能量收集装置进行了发电性能测试实验,结果表明,通过对蒲公英状压电振动能量收集装置的宽频带设计,其在20～34Hz有较大的功率输出,且最大输出功率达到了约2.3mW。本文的设计有效地拓宽了该装置的谐振频率范围,易于实现与环境振源的匹配而获得较高的能量收集能力。

一种磁耦合的M形非线性压电振动能量收集装置

针对压电振动能量收集装置在低频范围内工作频带较窄的问题,设计了一种磁耦合的M形非线性压电振动能量收集装置(MEH),建立了MEH的等效机电耦合模型。仿真分析了MEH的输出响应,实验验证了仿真的正确性。研究结果表明,外部非线性磁斥力的耦合作用能够拓宽能量收集装置的工作频带,在0.5 g加速度激励下,工作频带相较于原有无磁耦合装置提升28%。

非线性接口电路对双稳态压电能量收集器性能提升的仿真研究

采用谐波平衡法仿真分析非线性双稳态压电振动能量收集装置(Bistable Energy Harvester,BEH)与双同步开关收集(Double Synchronized Switch Harvesting,DSSH)电路之间的非线性机电耦合情况。研究结果表明,在上扫频激励的条件下,BEH耦合DSSH电路相较于耦合标准接口电路(Standard Energy Harvesting,SEH)的最优输出功率和工作带宽分别提高了391.1%和14.9%;在6 m/s^(2)的定频激励下,BEH耦合DSSH电路比耦合SEH电路的最优输出功率提高了344.8%,且与负载无关。

压电式能量收集器中能量提取电路的研究进展

详细介绍了国内外研究人员针对压电式能量收集器提出的各种能量提取电路,并分析了各种电路的实现原理与工作过程。从能量转换效率的角度,对几种不同的能量提取电路进行了对比分析,在此基础上,介绍了最新改进的能量提取电路结构。总结了压电式能量收集器中能量提取电路的未来发展趋势和方向。

压电能量采集系统的充电电路设计与仿真分析

在压电能量采集系统充电原理的基础上,设计了系统的充电电路,并对其瞬态、稳态充电电路进行了设计与分析。采用典型的两层结构,选用PZT-5H单晶片作为压电片,选用黄铜片作为基板搭建压电能量采集系统模型。仿真结果表明,当等效电阻为135 kΩ时,稳态输出功率达到最大为0.11 mV;当等效电阻为238 kΩ时,瞬态和稳态充电的临界充电电压为5 V;验证了所设计电路的合理性,为设计电路的推广应用提供了科学参考。

以振动能量转化为供电策略的无线矿山粉尘监测系统

提出一种以收集振动能量为供电策略的矿山粉尘无线监测系统.供电系统由压电振动能量收集结构和以LTC3588为核心的能量收集电路构成.低功耗MCU(STM8s)对DSM501A灰尘传感器输出的PWM信号进行采集和处理,输出粉尘浓度信息.由高性能嵌入式MCU(STM32)和YL-800T组合成的主机每隔一定时间依次采集各子节点所监测的浓度信息,上位机对主机的信息进行采集并处理,以实时曲线和地图报警模式显示.报警发生时,上位机传输控制信息给下位机,在警报的子节点位置进行一些降尘措施.应用结果表明:该系统具有实用性好、可靠度高和绿色环保等优点,实现了粉尘浓度的持续检测.