Ag/Bi_(2)O_(3)纳米块自供能紫外探测器的制备及性能

为了实现在无外部供能下对紫外光的有效探测,基于Ag修饰的Bi_(2)O_(3)纳米块(Ag/Bi_(2)O_(3))纳米块制备了自供能紫外探测器。通过煅烧法制备Bi_(2)O_(3)纳米块,随后采用室温溶液法在其表面沉积Ag纳米粒子,进而成功制备了Ag/Bi_(2)O_(3)纳米块,且对所制备样品的晶体结构和微观形貌等进行了表征。结果表明,Ag/Bi_(2)O_(3)纳米块的平均尺寸约为1μm,且Ag纳米粒子随机分布在Bi_(2)O_(3)纳米块表面。将涂覆Ag/Bi_(2)O_(3)纳米块的FTO作为工作电极,并进一步构建了自供能紫外探测器。在365 nm的紫外光照射下,Ag/Bi_(2)O_(3)纳米块紫外探测器能在零偏压下实现对紫外光的快速检测,这证实其具有自供能特性。相比于Bi_(2)O_(3)纳米块紫外探测器,Ag/Bi_(2)O_(3)纳米块紫外探测器的光电流得到明显提升,上升和下降时间分别缩短至29.1 ms和40.2 ms,并具有良好的循环稳定性。

面向可穿戴电子产品的自供能摩擦电纺织品研究进展

伴随着人们对智能穿戴的需求日益增加,为解决可穿戴电子产品的供能问题,各种能源转化技术接连涌现,摩擦电纺织品凭借其在低频机械能收集和自驱动传感器等方面的优异表现脱颖而出,成为能源织物领域的佼佼者。为提高摩擦电纺织品的能量转换效率与舒适自然的穿戴感,基于摩擦电技术的理论,探讨了接触起电的物理机制,从材料、结构、运行模式以及功能性等角度出发,总结了纱线基摩擦纳米发电机、织物基摩擦纳米发电机与非织造布基摩擦纳米发电机的发展历程,综述了摩擦电纤维在柔性传感、电子皮肤、智能机器人、交互式设备等领域的应用情况,指出目前摩擦电纺织品所面临的挑战以及未来的机遇,以期为摩擦电技术与传统纺织业的高值化结合提供一些理论参考。

基于固-液摩擦纳米发电机的海洋红外对射自供能发电胶囊

为了实现海上电子围栏中红外对射装置的自供能,同时降低供电成本和简化安装,设计了一种基于固-液摩擦纳米发电机的海洋红外对射自供能发电胶囊。对摩擦纳米发电机发电胶囊(PC-TENG)进行仿真电学分析与0.02~2.00 Hz工况下的实验,验证了PC-TENG可以将波浪能转换为电能。仿真模拟的最大电势为3.2 V,基于去离子水的PC-TENG最大短路电流和开路电压分别为27.38μA和2.84 V。为了提高装置的实用性和输出性能,采用更接近海水的摩尔分数4%的氯化钠溶液作为液体摩擦材料进行对比实验,最大短路电流和开路电压分别为21.62μA和2.08 V,验证了使用海水作为液体摩擦材料的可行性。最后,进行了耐久性测试,基于去离子水的PC-TENG短路电流和开路电压分别衰减了5.5%~6%和3%~4%,基于摩尔分数4%的氯化钠溶液的PC-TENG短路电流和开路电压均衰减了6%~7%,验证了发电的耐久性,为海上电子围栏供能提供了新的参考和思路。

一体化摩擦电自供能气湿传感器研究进展

气湿传感器在环境检测、工农业生产以及医疗健康等领域应用甚广,然而主流的电阻、电容、光电气湿传感器需要外部供能工作,一方面电池的频繁更换与维护增加了泄露引起的环境污染,另一方面传感器对外界能源过于依赖将限制其在缺乏能源的场合中正常工作.鉴于此,通过赋予气湿传感器自发收集外界环境能量并转化成电能的能力,以实现长期自主工作的自供能气湿传感器的理念应运而生.摩擦纳米发电机(TriboElectric NanoGenerator,TENG)作为一种新型能量俘获装置,由于其成本低、可结构设计且能量转换效率高等优势,在机械能收集与自供能传感器等领域应用广泛.进一步赋予TENG外界信息感知的能力,可实现单一器件兼具能量收集与气体敏感的功能,这种一体化摩擦电自供能传感器是目前传感器领域发展的一个热点方向.本文对一体化摩擦电自供能气湿传感器的研究现状与最新进展进行了综述,可从以下三个方面进行概括.(1)一体化摩擦电气湿传感器工作原理与气敏机理,并基于TENG的等效电路模型论述了影响敏感性能的参数—介电层摩擦电荷密度、介电层介电常数与电极层电导率;(2)一体化摩擦电气体传感器的研究进展,根据检测对象将其主要分为氨气(Ammonia,NH3)、乙醇以及其他有机挥发化合物(Volatile Organic Compound,VOC)气体传感器,介绍了其在呼出气、食品变质以及尾气排放检测场合的应用;(3)一体化摩擦电湿度传感器的研究进展,根据湿度对输出电信号幅值影响的不同将其主要分为电信号下降型传感器与电信号上升型传感器,介绍了其在非接触开关、皮肤湿度与尿不湿检测场合的应用.最后对一体化摩擦电气湿传感器的研究现状与面临的问题挑战进行了总结,并对其未来的发展方向进行了展望,可为相关研究提供参考.

波浪能量采集及自供能海洋无人机电系统研究进展

海洋环境传感器、航行器/机器人等无人机电系统可用于海洋军事侦察、资源探测、生态监测、海洋大型设备设施状态监测等,有益于海洋生态保护、海洋经济发展和海洋权益维护.长期有效供能是制约海洋无人机电系统在辽阔海域作业的瓶颈难题.电池电量有限且污染环境,线缆供电成本高且限制了海洋机电系统的机动性.波浪能是最丰富并且可以被大规模利用的可再生能源之一.将波浪能量转换为电能,可以实现海洋环境机电系统的自供能传感、控制与驱动,具备可持续、灵活便捷和节能环保的优势,有望破解海洋无人机电系统供能瓶颈难题.此外,随着化石能源面临着枯竭和严重的环境问题,开发海洋能源能够缓解能源危机、减少环境污染并促进经济发展.文章全面论述波浪能量采集、基于波浪能量采集的自供能海洋无人机电系统和海洋无人机电系统的研究进展,讨论目前自供能海洋无人机电系统面临的关键挑战并进行展望,为解决海洋无人机电系统长期有效供能难题提供多维度参考,推动自供能传感、控制与驱动等技术的发展与应用,助力海洋无人机电系统应用于深海远海.

BiI_(3)修饰Cs_(3)Bi_(2)I_(9)自供能光电化学型探测器制备及其性能

在溶液法合成Cs_(3)Bi_(2)I_(9)前驱体溶液的基础上,采用添加BiI_(3)修饰Cs_(3)Bi_(2)I_(9)溶液的方法后得到Cs_(3)Bi_(2)I_(9)/BiI_(3)薄膜并制备出具有自供能特性的Cs3Bi2I9/BiI3薄膜光电化学型探测器。结果表明,添加的BiI3以第二相形式存在于Cs_(3)Bi_(2)I_(9)薄膜中,形成两相混合结构。在紫外光(365 nm)单色光照射下,Cs_(3)Bi_(2)I_(9)/BiI_(3)探测器的开关比达到3198,响应度和探测率分别为2.85×10^(-3) A/W和3.77×10^(10) Jones。在绿光(530 nm)单色光照射下,Cs_(3)Bi_(2)I_(9)/BiI_(3)探测器的开关比达到1172,响应度和探测率分别为6.9×10^(-4) A/W和1.76×10^(10) Jones,同时展现出红光波段(625 nm)的良好响应。相较于Cs_(3)Bi_(2)I_(9)探测器,Cs_(3)Bi_(2)I_(9)/BiI_(3)器件探测性能均有大幅度提高,归因于BiI_(3)对非辐射缺陷的钝化作用。本工作首次尝试将Cs3Bi2I9应用在光电化学型结构探测器中,通过BiI3的修饰成功提高了器件性能,为低毒铋基钙钛矿的光电探测应用性能提升提供了新思路。

道岔转辙机自供能传感器设计与能量俘获特性试验

铁路道岔系统是高速铁路轨道结构的薄弱环节,其中道岔转辙机拉杆部分的拉力不稳定、不足或超限均会导致道岔锁闭系统出现故障,引发脱轨等安全事故.目前采用外置电源为传感器供电和定期巡检测试拉力,但存在维护成本高和不能实时获取拉力数据等问题.本研究创新性地提出一种基于振动能量俘获技术的轨道道岔转辙机自供能传感器系统,利用轨道振动能量为拉杆插销附置应变传感器和无线数据传输系统供电.基于振动速度控制策略,实测了轮轨交互作用下的钢轨振动数据,与实验室测试吻合,验证了所设计自供能传感器系统的可行性.

仿生鳞片针织结构自供能传感织物的制备及其性能

为研究仿生鳞片针织结构自供能传感织物结构对其性能的影响,利用针织成形工艺将锦纶纱线、聚四氟乙烯纱线及镀银锦纶纱线设计并制备三维仿生鳞片针织结构,形成基于仿生鳞片针织结构的自供能传感织物,并对其性能进行研究。结果表明:该仿生鳞片针织结构自供能传感织物可大规模织造,其电学输出性能受鳞片与间隔部分接触面积的影响,可通过调节纵向间隔来调控其电学性能;织物的各向异性与鳞片的纵向间隔及排列方式有关,小纵向间隔、叠瓦状排列方式下的应变强化特征明显,可提供较强的支撑性;该自供能传感织物保持织物内在舒适性的同时,兼具智能性与功能性,满足柔性与防护性需求。

一种无电池自供能的无线手势识别智能手套的实现

针对可穿戴智能手套自供能的瓶颈问题,提出了一种无电池自供能的无线手势识别智能手套的系统实现方案。采用并联式压电发电机收集肘部运动形变产生的机械能,并引入整流和转移两级储能结构,设计并实现了高效的能量收集管理模块,实测该模块收集的平均功率可达43.405μW。采用低功耗单片机和蓝牙传输协议,并结合无源柔性传感器组,设计并实现了低功耗的信号采集传输模块,实测完成一轮60次手势信号采集和传输消耗总能量为2125.132μJ。利用上述模块搭建了无线手势识别智能手套并进行了测试,测试结果表明系统可以在无电池自供能的条件下完成对简单手势信息的采集和传输工作。

采用磁电自供能的能量储存和电源管理电路研究

普通Fe-Ni/PZT磁电复合结构将电磁能转化为电能时输出低,无法驱动无线传感器工作,本文设计了一种更高磁电电压系数的H型音叉式磁电复合结构。论文详细介绍了该结构的工作原理和磁电输出特性。在强度为0.2Oe的交变磁场激励下,该磁电复合结构能够把容量为1.5F的超级电容充电至0.5V。为有效利用超级电容中的电量,本文提出了一种能够提高超级电容输出功率的电能瞬间放电电路。实验结果表明,当超级电容电压为0.5V左右时,在间隙脉冲串(Burst)触发信号频率为30kHz、占空比为75%的条件下,该电路最大放电功率可达120mW,放电时间持续620ms,能够驱动无线传感器在一个发射周期内正常工作。

能耗均衡的自供能无线传感器网络分簇路由算法

当前的采能技术已经能够让传感器节点自动从环境中获得适量的能量补给,针对现有自供能无线传感器网络分簇路由算法中未考虑位于不同地理区域的节点所获补给能量大小的不同,而导致能量补给少区域的簇头数过少、簇规模过大,全网能耗不均衡等问题,提出了一种能耗均衡的自供能无线传感器网络分簇路由算法-EBCS(Energy Balanced Clustering with Self-Energized),该算法结合实际能量补给场景对簇头选举机制进行了改进,并采用了一种自适应式簇间通信机制,充分保存与利用补给能量。理论和仿真实验表明:EBCS算法能够较好维持预设的簇头比例,在网络平均剩余能量、当前可用节点数量等性能方面优于另外两种现有算法。

电液自供能式车辆主动悬架多模式切换控制

为了克服主动悬架耗能大的缺点,提出一种基于电动静液压作动器(electro-hydrostatic actuator,EHA)的自供能式主动悬架结构。分别建立了该系统主动模式和馈能模式下的数学模型,分析了EHA主动悬架系统实现自供能的能量平衡条件,设计了包含上层切换控制器和下层天棚控制器的分层协调切换控制策略,仿真分析了天棚阻尼系数对改善悬架性能和实现自供能的影响,并通过仿真分析设计了合理的天棚阻尼系数。结果表明,该EHA自供能式主动悬架系统改善了悬架动态性能,实现了能量自供能,有效克服了主动悬架耗能大的缺陷。

一种振动自供能无线传感器的电源管理电路

针对振动能量采集器的输出功率过低不足以直接驱动无线传感器的问题,设计了振动自供能无线传感器的电源管理电路,根据调谐和阻抗变换原理对能量采集器进行了阻抗匹配,以最大功率对储能超级电容进行充电,对能量存储和电源管理电路的充放电特性进行了理论分析和实验验证。结果表明,该电路大幅度提高了采集器的输出功率和对储能超级电容充电的效率,当0.47 F超级电容电压达到0.6 V时,能量瞬间释放电路控制超级电容瞬间放电,成功驱动最大功耗为75 mW的无线传感器工作。

交通环境能量采集及自供能交通设施健康状态监测研究进展

从交通环境中采集能量为交通设施健康状态监测供电,不仅便捷、可持续,而且零碳环保,有益于我国“双碳”目标实现。目前关于交通环境能量采集、交通设施健康状态监测的研究有很多,但是还未见从自供能交通设施健康状态监测角度综述、总结和提炼的报道。本文概述了交通环境能量源及机电转换机制,阐述了交通设施健康状态监测的基本内容和研究进展,强调交通环境能量采集是解决交通设施健康状态监测供电问题的潜在方案,重点论述了交通环境能量采集方法及交通设施健康状态监测中的应用,探讨了自供能交通设施健康状态监测面临的挑战并进行了展望。

自供能量式磁流变半主动悬架特性研究

为了克服磁流变半主动悬架耗能大的缺点,提出了一种自供能式磁流变半主动悬架结构。分别建立了磁流变减振器和直线电磁线圈数学模型,分析得出了半主动悬架能够实现能量自供给的必要条件,对该磁流变半主动悬架动态性能和自供能效果进行了仿真分析。结果表明,该磁流变半主动悬架在天棚控制下簧载质量加速度下降26.2%,悬架动挠度下降10.8%,轮胎动载荷下降13.3%;能够实现能量自供给,馈能效率为13.6%。

自传感自供能磁流变减振器研究现状综述

磁流变减振器具有响应速度快、阻尼可调范围大、能耗低等一系列优势,是当前国内外的研究热点。简要介绍了磁流变阻尼器当前应用现状,分析了制约其广泛应用的两个关键问题,着重对自传感自供能磁流变减振器的研究现状进行了综述。其中,自供能功能的实现原理包括电磁感应原理和压电效应,而反馈电压的大小则反映了相对速度的大小。分析了不同结构自传感自供能磁流变减振器的工作原理和特性,通过综合分析当前研究中存在的问题,阐明了其未来的发展方向。

用于自供能传感器的环境能量源研究

采集环境中的能量,实现传感器的自供电,可解决无线传感器携带电池能量有限的问题。自供能传感器能否从环境中获得充足的能量,与环境中的能量源密切相关。介绍了环境中常见能量源转换成电能的原理,并描述了这些能量源的特点、研究现状以及各自的优缺点,同时给出了不同能量源的适用范围,可作为自供能传感器采集环境能量时的参考。

自供能压电振动能量回收接口电路优化设计

为了更适用于为无线传感网络供电,设计了一种自供能双同步开关电感电路(Self-powered DSSH电路)。在压电换能器中增加了2个压电片:一片为传感器,通过微分器和比较器产生与振动同步的脉冲信号;另一片为供能片,为微分器和比较器供能。由无源峰值检测开关组成的DC-DC变换器能及时地将能量回收为负载供电。实验结果证明,设计的自供能双同步开关电感电路输出功率达到305μW,相比标准电路提高了3.05倍,且一直保持最佳输出功率。

磁流变减振器自供能系统设计研究

针对目前磁流变减振器自供电能量采集装置体积庞大、结构复杂、能量采集效率低等问题,提出了一种盘式永磁电机振动能量采集系统,该系统由滚珠丝杠副结构驱动,集成在双伸出杆磁流变减振器内部。利用有限元软件Ansys/Ansoft Maxwell 3D对盘式永磁发电机进行了静态磁场仿真,得出的气隙磁场与样机实测值吻合;并用瞬态电磁场模块对振幅为5mm不同频率的正弦激励下的空载反电动势和减振器电阻作为负载的场路耦合进行了仿真,仿真结果表明该能量采集系统的可行性和有效性。

压电自供能智能车轮的结构设计与实验研究

为了解决智能车轮中的无线传感器的自供能问题,提出一种压电自供能智能车轮,增强了现有车轮能量收集技术的实用性和安全性。压电悬臂梁固定于轮辐中,利用旋转中自由端质量块的重力作用产生周期性激励,为了避免直接对辐条产生碰撞,设计了安全限幅结构。通过建立系统的机电动力学模型,针对R16尺寸的轮辋进行了装置的参数设计,搭建实验平台进行负载优化并研究了限幅间距对收集性能的影响。为了全面评估压电自供能智能车轮的性能,在实车上进行了样机实验。结果表明,本收集装置在50~70 km/h可获得64. 3~866. 0μW的能量,为建立无需维护的自供能智能车轮系统提供了可能。