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。

基于柔性套管悬臂梁式压电能量采集器的实验研究

为了提高压电能量采集器的使用寿命,保证内部发电部件的稳定运行,提出了一种柔性套管悬臂梁式压电能量采集器收集能量的盾形截面的钝体,通过实验研究该结构的输出性能。分析了外接负载、风速、钝体质量对能量采集器的输出功率的影响。结果表明:能量采集器的输出功率随着负载阻值的增大呈现先增大后减小的趋势,存在最佳负载使得能量采集器的输出功率达到最大;同时输出功率会随流速的增大而增大,符合驰振现象;在实验所考虑的质量范围内,最大输出功率随着质量的增大而减小。实验中,能量采集器在钝体质量为70 g,最佳负载为10^(5)Ω,流速为8.0 m/s时达到最大输出功率5.22 mW。

基于压电能量收集技术的自供电系统设计

为了降低对传统电池的依赖,同时收集和利用汽车发动机的振动能量,设计了一种二自由度压电能量收集器和基于压电能量收集技术的自供电系统。系统主要由压电能量收集器、电源管理模块和加速度传感器组成。对压电能量收集器进行了建模、仿真和测试,得到了压电能量收集器的谐振频率和输出电压,测试结果表明该压电能量收集器前两阶谐振频率分别为105.5和124.6 Hz,并且在95~128 Hz频率范围内输出电压均在2.7 V以上,频率带宽为33 Hz。测试系统的整体功能,测试结果表明电源管理模块LTC3588-1输出3.34 V的直流电压,加速度传感器ADXL335能够正常工作。实验验证了压电能量收集技术在汽车电子领域中的潜力和可行性,为汽车电子设备提供可持续的自供电解决方案。

高性能多方向双圆弧形压电能量收集系统

为了解决传统压电能量收集系统通频带窄、功率密度低的问题,本文采用线性多模态共振法,提出一种双圆弧悬臂梁内外反向拼接的压电能量收集系统。两根梁上各覆盖一个压电层,压电层之间串联连接。建立二自由度系统集总参数模型和机电耦合模型来分析频率响应和输出性能。对比压电层弧度不同的压电能量收集系统的输出性能,根据测试结果,当弧度为0.5π时输出性能最佳。设置激励加速度为0.1 g,一阶模态下,谐振频率为82.19 Hz,开路电压为49.65 V,最大输出功率为3.74 mW;二阶模态下,谐振频率为119.14 Hz,开路电压为44.74 V,最大输出功率为3.54 mW。测试结果表明,该结构可有效拓宽通频带宽度至52 Hz,且功率密度高。该压电能量收集系统结构简单易于制备,工作频带宽,可在频率波动大的环境下供电,同时体积小、功率密度大,能在多方向激励下高效率收集能量,可应用于可穿戴设备、低功率设备等多个领域。

一种“回”字形多方向压电能量收集方法

该文介绍了一种“回”字形的多方向微型压电振动能量收集装置,其由尺寸为34 mm×2 mm×1 mm的正方形边框包围,内部结构包含4个非对称的组合悬臂梁,主悬臂梁固定于边框内壁,并与z方向垂直,次悬臂梁连接在主悬臂梁的末端质量块上。首先建立基础激励条件下组合悬臂梁振动系统的动力学模型。然后,通过有限元仿真分析对比了不同刚度和质量对位移幅值的影响,验证了组合悬臂梁系统的振动特性,并确定了最佳结构参数值:当主、次悬臂梁厚度均为0.3 mm,主、次质量块的最佳惯性质量分别为619.32 g、342.3 g。经仿真计算得到z方向可输出电能功率为3.1385 mW,x、y方向可输出功率均为0.7205 mW。最后搭建微型能量收集器实验平台,在实际测试中z方向的输出功率为2.85 mW,x、y方向的输出功率均为0.57 mW。

高压电能计量现场校准装置及其不确定度分析

随着新建产能增加和新技术的不断应用,油田用电量逐渐增大,对高压电能计量设备进行科学的评价,可以对设备运行情况提供可靠的数据支持,以节省和减少油田的能源消耗,进而为设备维护更新、技术改造、新建项目等提供决策支持。高压电能计量现场校准装置,采用高压三相标准功率源和多功能标准表、V/V转换器、I/V转换器组合的方式对高压电能计量设备进行整体校准,对装置进行不确定度分析,使装置在现场校准的过程中能够保持稳定的性能指标。

压电能量收集技术的研究现状与发展趋势

综述了压电能量收集技术的国内外发展现状,从压电材料、机械结构和电路设计等方面的研究动态和进展进行了分类和阐述。重点分析了压电能量收集装置机械结构的优化方法,并对基于上变频转换法、多模态法、频率调谐法、多方向振动能量收集法和非线性法等不同种类机械结构优化方法的能量收集器的优缺点进行了对比。此外,还分析了数字开关控制电路和芯片集成控制电路在电路设计方面的优化方案。最后,结合目前压电能量收集技术存在的问题,在压电材料性能的提升、能量收集器机械结构的优化、能量收集器电路结构的优化以及混合能量高效收集等四个方面的技术创新点的基础上,对压电能量收集技术未来的发展趋势和发展重点进行了展望。

混合式三稳态压电能量俘获器动力性能分析

为了提高压电能量俘获器在低强度外界激励下的俘能表现,基于三稳态压电悬臂梁能量俘获器模型,在U形框架和基底之间以及压电悬臂梁固定端与U形框架之间分别装置一个弹性放大器,提出一种混合式三稳态压电能量俘获器(TPEH+DEM)模型。基于Hamilton原理建立了TPEH+DEM系统的非线性力电耦合运动方程,并利用谐波平衡法分析了弹性放大器的质量和弹簧刚度、磁铁之间相对距离、负载电阻等对TPEH+DEM系统能量收集水平的影响。结果表明:在一定的外界激励频率范围内,TPEH+DEM系统的响应输出功率存在两个峰值,合理调节弹性放大器的质量和刚度能使系统在较低的外界激励强度下进入阱间运动,产生很高的输出功率。相比于仅带有弹性基底的传统三稳态压电能量俘获器,TPEH+DEM模型在低频外界激励下具有更好的俘能表现。

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。

面向压电能量收集的传感器系统设计

为解决无线传感器系统供电受限问题,设计了一种基于压电效应的能量采集系统。该系统由能量收集模块、能量管理模块和无线传感模块组成。通过收集环境中的低频机械振动能量并将其存储到储能元件,实现为传感系统供电,其中能量管理模块采用升压芯片BQ25570,它将输入端电压升高至3.3 V并存储在储能元件为整个系统供电。实验结果表明,设计的无线传感器自供电系统能够在一定条件下实现能量的采集与利用,一定程度上延长了系统的工作时间。

基于同步翻转电荷提取的压电能量俘获电路设计

提出了一种高效自供电同步翻转电荷提取(SP-SICE)电路,该电路具有无需整流桥,且能自供电的特点。电路采用下拉电阻设计改进了翻转倍压结构,减少了因电感感抗产生的能量消耗问题,提高了翻转倍压时的能量收集效率。实验结果表明,高效SP-SICE电路平均稳定输出功率是标准能量俘获(SEH)电路的2.76倍,是SICE电路的1.44倍。

圆弧螺旋型压电能量收集器的有限元模型研究

为了分析圆弧螺旋型压电能量收集器的振动特性和输出特性,本文提出了一种有限元模型,可以在简化模型的同时改善结果的精度。对近似前后的圆弧型压电能量收集器进行了建模、仿真和测试,得到了圆弧螺旋型能量收集器的谐振频率、输出电压与输出功率。将圆弧型悬臂梁进行有限元分割成6~16个矩形结构悬臂梁,并对不同程度的有限元近似下圆弧螺旋能量收集器的谐振频率与输出性能进行分析,结果表明在有限元个数大于等于10时,谐振频率与输出性能相对误差较小。加工制备了2π圆弧螺旋型压电振动能量收集并进行了性能测试。测试结果表明螺旋能量收集器谐振频率为158 Hz,采取10边型有限元模型的理论谐振频率为153 Hz,相对误差为3.5%;最大输出功率的测试结果为53.5μW,最大输出功率的理论结果为55.2μW,相对误差为3.18%,理论结果与测试结果较为符合。

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。

高压电能计量装置错误接线实例分析

介绍了高压电能计量装置错误接线造成的电能表计量误差,绘制了错误接线向量图,计算出错误接线更正系数,纠正了错误接线电量误差。对用户用电信息负荷异常曲线进行分析,判断高压电能计量装置故障,并给出了应用实例和结论。

带异形孔的双稳态压电能量采集器研究

针对传统线性压电悬臂梁能量采集器共振频率高、偏离共振频率时输出电压快速下降的问题,该文设计了一种悬臂梁基板上带异形孔的新型双稳态能量采集器。建立该能量采集器的理论模型,并制作了实验样机,研究了该能量采集器在外界不同正弦激振频率下,磁间距对其输出电压和工作频带的影响。结果表明,随着磁极对间距减小,带异形孔结构的双稳态能量采集器的双稳态效应先增强再减弱,由此确定最佳磁极对间距为12 mm,谐振频率为18 Hz,最大输出均方根电压达到12.01 V,采集器有效工作频率为15.5~22.5 Hz,工作带宽达到7 Hz,带异形孔的双稳态能量采集器具有更宽的采集频带,在低频振动环境下具有更高的输出电压响应。

一种低功耗自供电的压电能量收集前端电路设计

阐述一种低功耗自供电的压电能量收集前端电路设计,该设计可以应用于可穿戴设备、桥梁监测等振动能广泛存在的场景,振动能经压电换能器转化为电能后,被该能量收集电路收集,经调制后可输出能量维持传感器节点正常工作以替代传统电池,使传感器节点免于电池寿命和更换成本带来的使用限制。该电路采用CMOS 180nm工艺,芯片230μm×350μm,整流导通压降<1V,整流峰值效率92%。

高压电能表校验装置电流档位控制器设计

高压电能表校验装置具有输出高电压、大电流的能力,为了检定与校验不同电流规格的高压电能表,需要输出符合检定规程的电流。目前大部分校验装置需要在停机且断电状态下由操作人员手动改变升流器或电流互感器的档位接线,以输出满足精度要求的电流值。文中提出了一种在装置内部高、低压侧电流档位智能切换的自动控制器,并详细介绍了其工作原理和软硬件设计。该控制器以多个磁保持继电器同步切换为基础,在校验装置不停机的情况下,可以控制连续输出最大允许电流之内的任意值,有效提高了自动校验时的安全性、可靠性和快速性。

一种可调谐非线性磁式压电能量采集器

为拓宽压电能量采集器的有效频带,通过在附有末端磁铁的压电悬臂梁上增加一对移动磁铁,设计了一种频率可调、单-双稳态模式可快速切换的非线性磁式压电能量采集器。首先,对采集器进行分布参数动力学分析,基于Euler-Bernoulli理论推导了系统动力学方程,根据Lagrange函数分析系统动能、势能和电能表达式,利用磁偶极子模型得到系统的磁力表达式,通过Galerkin离散方法和泰勒展开得到系统的一阶降阶模型,利用谐波平衡法得到方程的解析表达式。随后,利用仿真软件分别对采集器的单-双稳态特性进行研究,分析了磁铁间距、阻尼、负载等参数对系统输出电压和功率的影响,并通过实验进行验证。实验结果表明:通过移动磁铁引进的非线性磁力有效增加了采集器的输出电压和输出功率;通过改变磁铁间距改变能量采集器的谐振频率,较好地拓宽了采集器的工作频带;系统可通过调节磁铁间距实现单稳态模式与双稳态模式之间的切换,能够分别利用单稳态模式和双稳态模式收集高频和低频环境下的振动能量。

自然河流中压电能量收集系统信号检测装置的设计与实现

涡致振动压电能量收集系统对在自然界中产生的压电信号进行信号分析相较于在固定实验室中进行实验分析更具备科学意义,因此笔者设计了一种适用于自然河流环境下的压电信号采集、检测装置,并通过实验验证了该装置对压电信号采集的有效性.该系统利用“L”型支架将阻流体、压电悬臂梁等器件固定于漂流船底部,将航速调整模块、压电信号采集装置和蓝牙通信模块放置于漂流船内.在实际实验中,利用岸上的上位机通过蓝牙通信模块向航速调整模块下达指令,控制漂流船的航行速度模拟出不同的水流速度,使船内压电信号采集装置采集到不同水流速下压电悬臂梁产生的能量信号,并将其转换后通过蓝牙模块发送到岸上的接收处理系统进行存储分析.实验研究表明:在实验水域、水速范围内,该装置能够实现对自然河流中压电信号的采集;电压信号随着水流速的提高而增大.

高压电能计量装置整体误差校验台

针对目前高压电能计量装置检测过程繁琐,无法标定计量准确度的问题,研制了一套性能稳定可靠的高压电能计量装置整体误差校验台,填补了高压电能计量领域整体误差检测技术空白。本文介绍了高压电能计量装置整体误差校验台的设计原理、硬件和软件构成,给出了主要技术指标与用途,并对校验台的误差进行了分析,最后介绍了校验台对一套高压电能计量装置进行整体校验的情况,并和传统校验结果进行了比对。