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Design and Analysis of a Mechanical Device to Harvest Energy from Human Footstep Motion 被引量:1
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作者 XIE Longhan DU Ruxu 《Chinese Journal of Mechanical Engineering》 SCIE EI CAS CSCD 2011年第5期738-743,共6页
Portable electronics is usually powered by battery,which is not sustainable not only to the longtime outdoor use but also to our living environment.There is rich kinetic energy in footstep motion during walking,so it ... Portable electronics is usually powered by battery,which is not sustainable not only to the longtime outdoor use but also to our living environment.There is rich kinetic energy in footstep motion during walking,so it is ideal to harvest the kinetic energy from human footstep motion as power source for portable electronic devices.In this paper,a novel mechanism based on dual-oscillating mode is designed to harvest the kinetic energy from footstep motion.The harvester contains two oscillating sub-mechanisms:one is spring-mass oscillator to absorb the vibration from external excitation,i.e.,the footstep motion,and the other is cantilever beam with tip mass for amplifying the vibration.Theoretic analysis shows that the dual-oscillating mechanism can be more effectively harness the foot step motion.The energy conversion sub-mechanism is based on the electromagnetic induction,where the wire coils fixed at the tip end of the cantilever beam serves as the slider and permanent magnets and yoke form the changing magnetic field.Simulation shows that the harvester,with total mass 70 g,can produce about 100 mW of electricity at the walking speed of 2 steps per second. 展开更多
关键词 energy harvesting dual-oscillating mechanism human motion
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A high-performance electromagnetic energy harvester for scavenging ultra-low frequency vibration energy of human foot movement
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作者 HU JiaJun QIAN Shuo +9 位作者 WU Hui HU DongXu NIU LiXin BI XiaoXue ZHANG Jie HOU XiaoJuan GENG WenPing MU JiLiang HE Jian CHOU XiuJian 《Science China(Technological Sciences)》 SCIE EI CAS CSCD 2024年第5期1391-1400,共10页
In our daily lives,low-frequency kinetic energy primarily manifests as vibrations.However,effective harnessing of lowfrequency kinetic energy remains a formidable challenge.This paper proposes a rope-driven rotor that... In our daily lives,low-frequency kinetic energy primarily manifests as vibrations.However,effective harnessing of lowfrequency kinetic energy remains a formidable challenge.This paper proposes a rope-driven rotor that rotates around an axis and consists of an ultra-high-molecular-weight polyethylene(UHMWPE)wire wrapped around a metal shaft.The rotor can convert ultra-low frequency vibration/linear motion into rapid rotation by pressing the top at low frequencies and driving the rope for a quick release.The harvester can generate up to 36.25 m W power using a 0.1-mm-diameter UHMWPE wire as the rotor when periodically pressed down to 20 mm at a frequency of 1 Hz.A simple power generation floor is assembled,generating 28.58-m W power with a matching load at a frequency of 1.5 Hz.Moreover,the harvester can increase the charging voltage of a 0.47-F supercapacitor from 0 to 6.8 V within 10 min.In addition,the harvester can harvest energy through a light finger press motion,and the energy obtained can also support the continuous operation of multiple electronic devices concurrently.This study introduces an effective method for harvesting ultra-low frequency energy and has great prospects in the field of power generation floor and human movement energy harvesting. 展开更多
关键词 electromagnetic energy harvester rope-shaft coupling structure human motion ultra-low frequency
原文传递
双电机耦合式馈能减振器阻尼特性试验
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作者 沈辉 岳鹏飞 +3 位作者 李竞 关栋 王佩犇 周贺 《扬州大学学报(自然科学版)》 CAS 2024年第3期53-59,共7页
为研究馈能减振器在不同工况下的阻尼特性,设计一种齿轮齿条式双电机耦合馈能减振器.利用2个半波机械整流器分别俘获减振器的双向运动;为研究2个电机之间的电路耦合对阻尼特性的影响,提出5种机电耦合方式;搭建台架测试平台,分析不同激... 为研究馈能减振器在不同工况下的阻尼特性,设计一种齿轮齿条式双电机耦合馈能减振器.利用2个半波机械整流器分别俘获减振器的双向运动;为研究2个电机之间的电路耦合对阻尼特性的影响,提出5种机电耦合方式;搭建台架测试平台,分析不同激励频率、激励幅值和负载电阻条件下5种机电耦合式减振器的阻尼特性.结果表明:在5种机电耦合方式中,并联连接式馈能减振器较独立外接和串联连接时输出的阻尼力曲线更为平稳,阻尼特性更好,能够有效提高能源利用效率. 展开更多
关键词 馈能减振器 能量回收 机械运动整流器 阻尼特性
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基于转动-平动摩擦纳米发电机的自供能桥梁加速度监测系统
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作者 宋颖 舒旭东 肖璨中 《微纳电子技术》 CAS 2024年第12期55-63,共9页
为解决桥梁加速度监测系统中化学电池频繁更换的问题,研究了一种基于转动-平动的摩擦纳米发电机(RT-TENG),有望替代化学电池为系统供电。摩擦纳米发电机的原理为摩擦起电和静电感应,基于不同材料得失电子的能力不同,使不同极性电荷等量... 为解决桥梁加速度监测系统中化学电池频繁更换的问题,研究了一种基于转动-平动的摩擦纳米发电机(RT-TENG),有望替代化学电池为系统供电。摩擦纳米发电机的原理为摩擦起电和静电感应,基于不同材料得失电子的能力不同,使不同极性电荷等量分布在不同材料上,并通过运动使电子在外电路周期性转移。RT-TENG采集风能,将其转换为电能为蓝牙加速度计供电,在风杯转速为60 r/min、负载电阻为20 MΩ时,最大输出功率为7.84 mW。这种有效的风能收集装置在保护环境的同时,为桥梁自供能加速度监测系统提供了一种新型解决方案。 展开更多
关键词 摩擦纳米发电机(TENG) 运动转换机构 风能采集 桥梁加速度监测系统 自供能系统
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混合式三稳态压电能量俘获器动力性能分析
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作者 唐礼平 胡庆南 韩婷婷 《安徽建筑大学学报》 2024年第1期68-74,共7页
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Ha... 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。 展开更多
关键词 压电能量俘获器 力电耦合 弹性放大器 谐波平衡法 阱间运动
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一种非线性双稳态人体运动能量俘获技术 被引量:4
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作者 王伟 曹军义 +2 位作者 林京 周生喜 蔡云龙 《西安交通大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第8期58-63,共6页
针对传统线性压电悬臂梁频带过窄且难以与人体运动相匹配的问题,考虑人体小腿的运动特点,设计了一种双稳态磁耦合压电悬臂梁应用于人体运动能量俘获,利用运动过程中小腿的摆动及其与地面间的冲击产生的加速度使悬臂梁跨越势阱提高俘能... 针对传统线性压电悬臂梁频带过窄且难以与人体运动相匹配的问题,考虑人体小腿的运动特点,设计了一种双稳态磁耦合压电悬臂梁应用于人体运动能量俘获,利用运动过程中小腿的摆动及其与地面间的冲击产生的加速度使悬臂梁跨越势阱提高俘能效率。以哈密顿原理及人体运动信号为基础,建立了用于人体运动能量俘获的非线性动力学模型。根据人体腿部运动的振动特征设计了一种便携式非线性振动能量俘获系统,实现了线性、非线性单稳态和双稳态等动力学特征。采用实际腿部振动信号进行的理论模型数值仿真表明:双稳态人体振动俘能技术能够产生大幅度跨越势阱运动并俘获较多的电能。人体不同运动状态的实验结果验证了非线性双稳态人体能量俘获技术的优势以及所建立的机电耦合模型的有效性。当运动速度为8km/h时,双稳态系统的平均功率达到最大值23.2μW。 展开更多
关键词 能量俘获 非线性 双稳态 人体运动 压电悬臂梁
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三自由度机械能采集器的设计 被引量:1
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作者 杨锋 曹自平 +2 位作者 王岩 张新刚 朱洪波 《仪表技术与传感器》 CSCD 北大核心 2016年第11期46-49,共4页
文中设计了三自由度机械能采集器,将人体随机运动时产生的机械能转换为电能,以便为各种便携式或穿戴式电子装置供电。该采集器由1个球状永磁体和1个外表上置有感应线圈的球状壳体组成。当人体运动时,球状永磁体在球状壳体中作无规则自... 文中设计了三自由度机械能采集器,将人体随机运动时产生的机械能转换为电能,以便为各种便携式或穿戴式电子装置供电。该采集器由1个球状永磁体和1个外表上置有感应线圈的球状壳体组成。当人体运动时,球状永磁体在球状壳体中作无规则自由运动运动,引起壳体上线圈的磁通量变化,从而实现磁感应发电。系统研究了在不同人体运动状态下,线圈的匝数、厚度和放置位置,以及球状永磁体与球状壳体的直径比等因素对采集器发电特性的影响。实现了在正常行走状态下产生0.567 m W的发电量,可满足某些可穿戴电子式设备的用电需求。 展开更多
关键词 能量采集 三自由度 随机运动 磁感应 机械能
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基于压电振动的人体能量采集技术研究综述 被引量:7
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作者 魏胜 胡泓 《机械与电子》 2018年第10期67-72,共6页
阐述了人体各项运动的特性及其所能产生的动能,并从能量收集装置的结构设计、动能的来源、实现方法和性能等方面系统地综述了当前国内外利用压电振动采集人体运动能的主要研究成果,并对后续研究和发展方向提出了展望和预测。
关键词 压电 振动 能量收集 人体运动
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基于压电驻极体的微能量采集 被引量:4
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作者 张咪 左西 +1 位作者 杨同青 张晓青 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第24期42-59,共18页
综述了以压电驻极体换能器为核心部件的微能量采集研究,包括压电驻极体的基本物理原理和性能特点,以及该材料在微能量采集领域的应用研究.压电驻极体是具有微孔结构的驻极体材料,其压电效应是基体聚合物的驻极体性能和材料微孔机械结构... 综述了以压电驻极体换能器为核心部件的微能量采集研究,包括压电驻极体的基本物理原理和性能特点,以及该材料在微能量采集领域的应用研究.压电驻极体是具有微孔结构的驻极体材料,其压电效应是基体聚合物的驻极体性能和材料微孔机械结构协同作用的结果,是一类新型人工微结构柔性机电耦合材料.压电驻极体以强压电效应、柔韧、低密度、低声阻抗、薄膜型等为特征,是制备轻量化柔性传感器和机械能量采集器的理想换能材料.压电驻极体已被应用于振动能量采集器、人体运动能量采集器、以及声能采集器的研究中.根据压电驻极体膜受力方向的不同,可以将能量采集器的工作模式分为33模式和31模式两种.本文对基于压电驻极体的三类能量采集器的研究状况进行综述,并讨论未来的发展方向. 展开更多
关键词 压电驻极体微能量采集 振动能 人体运动能 声能
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非谐振式的电磁-摩擦复合式纳米发电机 被引量:1
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作者 任静 何剑 《中北大学学报(自然科学版)》 CAS 2023年第4期455-464,共10页
针对人体机械能频率低(<10 Hz)、振幅高、运动不规则的特点,为了实现对人体机械能的高效采集,本文利用非线性频带拓宽技术的单稳态法设计了一款非谐振式摩擦-电磁复合式能量采集器。该器件将电磁发电机(Electromagnetic Nanogenerato... 针对人体机械能频率低(<10 Hz)、振幅高、运动不规则的特点,为了实现对人体机械能的高效采集,本文利用非线性频带拓宽技术的单稳态法设计了一款非谐振式摩擦-电磁复合式能量采集器。该器件将电磁发电机(Electromagnetic Nanogenerator,EMG)和摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator,TENG)集成至一个具有非线性特性的磁悬浮系统中,利用非线性系统幅频曲线共振峰值偏移现象,拓宽了器件的频率响应范围;引入了柔性多层摩擦发电单元,不仅增强了器件的低频响应特性,还提高了器件的输出功率。测试结果表明:在6 Hz、10 m/s^(2)的振动条件下,当外接电阻为100 MΩ,顶部摩擦发电单元TENG1和底部摩擦单元TENG2的瞬时输出功率分别为202.5μW和348.1μW;当外接电阻为60Ω时,两组电磁发电单元EMG1和EMG2的瞬时输出功率均可达到150 mW。此外,设计的复合式能量采集器不仅可以通过人体在4 min内的运动将容值0.022 F的电容器从0 V充电到3.3 V,还可以驱动低功耗传感器。所设计能量采集器突破了传统谐振式能量采集器在低频、随机振动环境下能量采集效率低的难题,能够用于自供电式低功耗便携式电子产品。 展开更多
关键词 复合式能量采集器 磁悬浮系统 电磁发电机 摩擦纳米发电机 人体机械能 便携式电子产品
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基于电磁原理的人体运动能量收集器设计
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作者 芮小博 李航 +1 位作者 韩欣欣 陈瑜 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第11期1687-1694,共8页
本文聚焦于人体运动所蕴藏的丰富机械能,设计基于电磁感应原理的能量收集器,通过收集人体运动的机械能实现对可穿戴设备的供电。首先分析了人体四个关键位置的运动加速度数据,明确了激励的低频特征及最优化激励方案。针对以上特点,建立... 本文聚焦于人体运动所蕴藏的丰富机械能,设计基于电磁感应原理的能量收集器,通过收集人体运动的机械能实现对可穿戴设备的供电。首先分析了人体四个关键位置的运动加速度数据,明确了激励的低频特征及最优化激励方案。针对以上特点,建立能量收集器结构动力学模型并开展参数设计,搭建了两种不同中心磁铁支撑方式的样机。通过单轴振动激励及穿戴运动激励等多种方式验证了能量收集器效果,单轴振动激励下最优输出功率不低于1.92 mW,在脚腕最优化激励条件下可获得3.5 V的有效输出。 展开更多
关键词 能量收集 人体运动 电磁感应 可穿戴设备
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一种多振子电磁式人体动能收集器研究
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作者 吕磊豪 杨静 +2 位作者 张国平 王超 盛浩云 《微电机》 2022年第10期22-29,共8页
为更好的收集人体运动时产生的能量,提出了一种多振子电磁式人体动能收集器,主要由上、下端振子、悬浮振子,感应线圈,abs外壳组成。该收集器采用了弹簧、磁弹簧和多振子结构来达到降低谐振频率,增加能量收集频带的目的。此外,为悬浮磁... 为更好的收集人体运动时产生的能量,提出了一种多振子电磁式人体动能收集器,主要由上、下端振子、悬浮振子,感应线圈,abs外壳组成。该收集器采用了弹簧、磁弹簧和多振子结构来达到降低谐振频率,增加能量收集频带的目的。此外,为悬浮磁体包裹了油性膜来降低磁体与管壁之间的摩擦,提高能量收集功率。根据Simulink系统仿真可得,该能量收集器有5 Hz、19 Hz两个谐振频率。当实验者以10 km/h速度进行运动时,收集器在手掌和背包侧袋收集的最大瞬时功率分别为6.47 mW和5.13 mW,当速度为6 km/h时,收集的最大瞬时功率分别为0.78 mW和0.496 mW。结果表明,该能量收集器能较好收集低频人体运动产生的能量,为某些低功耗的便携式电子设备供电。 展开更多
关键词 多振子 能量收集 频带拓宽 Simulink系统仿真 人体动能
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A high-power and high-efficiency mini generator for scavenging energy from human foot movement
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作者 WU Hui QIAN Shuo +9 位作者 HOU XiaoJuan ZHAO JuanHong ZHANG Jie SONG XiaoGuang LIU YanLi SHI ShuZheng GENG WenPing MU JiLiang HE Jian CHOU XiuJian 《Science China(Technological Sciences)》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第12期3381-3392,共12页
Harvesting energy from human movement and converting it into electricity is a promising method to address the issue of sustainable power supply for wearable electronic devices.Using traditional energy harvesters for p... Harvesting energy from human movement and converting it into electricity is a promising method to address the issue of sustainable power supply for wearable electronic devices.Using traditional energy harvesters for practical applications is difficult due to their low output power.In this paper,an energy harvester with high power and efficiency is reported based on the principle of electromagnetic induction.It adopts a tiny compound mechanism comprising symmetrical lever-sector gear,which can amplify the vertical displacement of the human heel of 1.44 times without affecting the flexibility and comfort of human movement.The lever-sector gear and gear acceleration mechanism can achieve high output power from the tiny vertical movements of the heel.The results demonstrated that the average power and energy harvesting efficiency of the device are 1 W and 63%,respectively.Moreover,combining a novel controllable electric switch and energy management circuit allows the energy harvester to be worn by individuals with different weights and functions as a continuous real-time power supply for various electronic devices(mobile phones,smartwatches,etc.).Therefore,this research provides a new approach for the highly efficient harvesting of human motion energy and sustainable power supply of wearable electronics. 展开更多
关键词 human movement energy lever-sector gear compound mechanism high power electromagnetic energy harvester wearable electronics
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基于人体俘能的发电地砖研究进展
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作者 庞杰 何易卓 王师夷 《节能》 2022年第8期76-80,共5页
发电地砖能对人行走的动能进行能量俘获,为周围如无线传感器等小型用电设备提供电源,是一种新型的可持续能源设备。基于现有发电地砖的相关研究,对3种不同类型的发电地砖的研究进展进行了综述,针对不同类型发电地砖的特点进行比较,介绍... 发电地砖能对人行走的动能进行能量俘获,为周围如无线传感器等小型用电设备提供电源,是一种新型的可持续能源设备。基于现有发电地砖的相关研究,对3种不同类型的发电地砖的研究进展进行了综述,针对不同类型发电地砖的特点进行比较,介绍当前发电地砖在实际场景中的应用情况,指出现有研究的不足之处和发展方向,为发电地砖后续的发展提供参考。 展开更多
关键词 发电地砖 人体俘能 能量回收
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新型杂化金属硫氰化物压电体用于能量收集和动作传感
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作者 赵盈 安连财 +7 位作者 李凯 龚勇吉 郭甜梦 高飞飞 雷阳 李泉文 李伟 卜显和 《Science China Materials》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第5期1854-1860,共7页
杂化有机-无机压电材料因其电光性能优异、合成简单以及机械柔性等优点而受到广泛关注,在能源和传感领域显示出巨大的应用潜力.本文合成了一例新的零维杂化压电材料[Me-V]_(3)Mn(SCN)_(5),并与聚己二酸丁二酯对苯二甲酸丁二酯复合成膜... 杂化有机-无机压电材料因其电光性能优异、合成简单以及机械柔性等优点而受到广泛关注,在能源和传感领域显示出巨大的应用潜力.本文合成了一例新的零维杂化压电材料[Me-V]_(3)Mn(SCN)_(5),并与聚己二酸丁二酯对苯二甲酸丁二酯复合成膜制备了用于机械能收集的压电器件.实验结果表明,15 wt%组分的压电器件具有优异的能量收集性能,在仅0.03 MPa作用力下,可产生18.49 V的最大输出电压和7.88μW cm^(-2)的功率密度.同时,该器件在循环5500圈及60天内仍保持优异的压电性能.此外,该器件在包括手指敲击、手腕/肘部弯曲和踩踏等动作传感方面表现出良好的敏感性.这项工作证明了无铅无卤的杂化压电材料在柔性传感和能量收集方面具有巨大的应用潜力. 展开更多
关键词 hybrid organic-inorganic piezoelectrics energy harvesting human motion sensing
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基于人体运动的压电-电磁混合式振动能量采集研究 被引量:8
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作者 代胡亮 林时想 +1 位作者 张岚斌 曾良 《固体力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2019年第5期427-440,共14页
将人体运动产生的动能转化为可利用的电能为传感器供电一直是能量采研究中的一个热点.如何有效利用人体运动,增强环境适应能力以及提高能量采集性能仍是俘能研究中需要解决的关键问题.论文基于人体运动特性,设计了一种新型的混合式能量... 将人体运动产生的动能转化为可利用的电能为传感器供电一直是能量采研究中的一个热点.如何有效利用人体运动,增强环境适应能力以及提高能量采集性能仍是俘能研究中需要解决的关键问题.论文基于人体运动特性,设计了一种新型的混合式能量采集器,同时具有压电和电磁转化机制.压电俘能是基于压电梁变形产生电能,电磁发电机采用堆叠磁组构型来切割线圈产生电动势.首先建立了混合式能量采集器的动力学理论模型,用来描述输出电压特性,并与实验进行了对比验证.理论与实验研究均表明,混合式俘能器的输出电压在一定激励频率范围内出现两个波峰.通过调节压电梁长度,可以改变峰值大小以及两个峰值间的频段范围.人体运动实验表明,混合式俘能器中可以在短时间内提供较高的电压输出,比如当跑步速度为5 km/h时,3 s内就可以输出1.1 V直流电压驱动传感器工作;跑步时长为30 s时,传感器正常工作时常可以达到77 s.论文设计的混合式俘能器不仅可以快速供电,还具有较强的续航能力,这为电池充电或传感器供电提供了潜在的应用价值. 展开更多
关键词 压电俘能 电磁发电机 人体运动俘能 共振频率 自供电
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