基于多模态扩频理论的压电振动能量采集系统

以同时提升多模态采集和增加带宽为研究方向,结合多模态扩频理论,建立了一套多模态宽频且能多方向工作的压电振动能量采集系统。该系统包含能量采集器和电源管理电路两个模块。其中,采集器包括4种谐振频率,组成了较宽的工作频带,保证了该采集器在低频振动工作环境下高效率地收集振动能量;电源管理电路将采集到的交流电转换为稳定的直流电,再对电容或电池等储能元件充电以供微电子器件使用。经过模态和谐响应分析后,搭建了实验平台并对采集系统进行实验测试。实验结果表明,在加速度6 m/s2 简谐力激励下,工作频带为16.1~27.8 Hz,输出电压最高可达35.75 V,阻抗匹配后最优阻值为200 kΩ,此时输出功率为115.85 μW。     

多模态下压电振动能量收集器的等效电路仿真

结合有限元分析法和电子电路分析法建立了多模态下压电振动能量收集器与交流-直流（AC-DC）非线性负载电路相连接的等效电路仿真模型。利用有限元分析软件ANSYS确定了压电能量收集器的等效电路参数,根据这些等效电路参数,在PSPICE软件中建立了非线性负载电路条件下压电振动能量收集器的等效电路仿真模型,并实现了其输出电压和功率的快速仿真。仿真结果表明,等效电路仿真模型可得非线性负载电路条件下压电振动能量收集器的输出电压和功率,而这是单独使用ANSYS软件完全不能解决的。这为多模态下压电振动能量收集器的电能预测提供了一种简便而有效的分析方法,更为解决任意复杂非线性负载电路条件下压电振动能量收集器的输出电能预测打下了基础。     

风车型低频压电振动能量采集器的研究与设计

基于微机电系统（MEMS）设计了风车型结构的压电振动能量采集器,通过压电效应将低频振动能量转化为电能,用以解决环境中低频能量采集的问题。风车型结构的压电振动能量采集器以硅为基底,以PZT 5A为压电材料,包含上、下电极;4条悬臂梁旋转连接中心质量块与四周固定端,类似于风车结构。数学建模与有限元仿真分析表明,在结构尺寸与材料相同的情况下,圆弧风车型结构的谐振频率较直接连接、直角连接结构的谐振频率更低;4条悬臂梁距离中心质量块越远,谐振频率越低;在0.1g(g=9.8 m/s2)加速度谐振状态下,输出电压约为6.2 V,最大位移接近1.2 mm。基于MEMS工艺,通过IntelliSuite软件研究和定义了风车型振动能量采集器的工艺流程。     

一种基于梯形压电悬臂梁的能量采集器研究

提出了一种基于d33模式的梯形压电悬臂梁式能量采集器.采用梯形悬臂梁结构能提高能量采集器的平均应力和降低其最大应力,增加其输出电压和使用寿命;同时由于压电材料的d33系数一般是d31系数的2～3倍,利用d33模式同样能提高能量采集器的输出电压.分析和制备了同尺寸的d31模式和d33模式两种能量采集器,并进行测试.实验结果表明,d33模式能量采集器的输出电压约是d31模式的2倍,具有较高输出电压,与有限元分析结果基本一致.     

基于耦合电感的压电能量采集电路设计与仿真

利用压电材料的环境振动能量收集技术具有能量密度大,无电磁干扰,较易收集的特点,该文提出一种自供电式压电振动能量采集电路,即基于耦合电感的同步电荷提取和电压翻转电路(SCET&VII),利用电子仿真软件LTspice对标准能量采集(SEH)电路、同步电荷提取(SECE)电路和SCET&VII进行仿真分析和对比。结果表明,在相同振动激励条件下,SCET&VII接口电路的负载取用功率是SEH的2.65倍、SECE的1.76倍,且功率输出不受负载影响,同时实现了能量收集中的开关动作能量自给。     

微型压电能量采集器的仿真、制造与测试

理论分析得到微悬臂梁式压电能量采集器的设计准则.采用一种新颖的制造工艺,将高性能压电陶瓷锆钛酸铅(PZT)块材与硅片在540 ℃高温下键合1 h后,减薄并切割成形成压电悬臂梁.使用ANSYS软件进行仿真,得到了器件的固有频率、尖端位移和电压输出的频率响应.设计一套振动能量采集器测试装置,并对器件进行测试.测试结果表明,所制得的器件固有频率为2 580 Hz,在10 m/s2的正弦加速度激励下,其输出峰-峰值电压达1.58 V,测试结果与仿真分析基本吻合.     

三轴电磁式振动能量采集器设计与验证

针对传统化学电池需定期更换并进行周期性充电、在户外环境无法长期稳定供电的问题,设计了一种悬浮式电磁振动能量采集器。基于电磁感应原理对能量采集器进行了理论分析,制作了三轴电磁式振动能量采集器,分别在X、Y、Z三个方向布置振动能量采集器单体,设计了能量转换电路,将收集到的电能转变为3.3 V直流电。开展了台架测试和应用场景测试,结果表明,振动能量采集器单体在振动幅度为10 mm、振动频率为9 Hz时输出性能最高,最大输出功率为43.11 mW。探究了振动能量采集器单体在不同振动幅度和振动频率下的直流输出性能,在振动幅度大于10 mm、振动频率为4～8 Hz时可为LIS3DH加速度传感器稳定供电。通过沿X、Y、Z轴布置的振动能量采集器单体阵列,使振动能量采集器具备全方向收集振动能量的能力,大大提高了收集振动能量的效率与适应性。该采集器可应用于诸如机器振动、波浪、人体运动等多种场景的振动能量收集,实现为无线传感网络节点等低功耗用电器供能,具有一定应用价值,可为研究低功耗电子元器件的自供电技术提供参考。     

MSMA振动能量采集器的设计与实现

采用智能材料磁控形状记忆合金(MSMA)将机械振动能量转换成电能为无线电子设备供电已备受关注。该文利用MSMA的维拉利效应(逆磁致伸缩效应)分析了MSMA振动能量采集器工作原理,计算并确定了振动能量采集系统的磁轭、线圈、保护系统、固定装置的尺寸和性能参数。利用ANSYS软件对系统进行了仿真,验证了各部分结构参数和材料选型的正确性。在此基础上,设计制作了MSMA振动能量采集器样机,搭建了MSMA振动能量采集器实验平台,进行了振动力激振实验,得到了在不同输入频率和应力大小条件下感应电压的输出曲线,实验和仿真结果表明,利用MSMA材料可将机械振动能量转化为电能,为振动能量收集利用提供了参考依据。     

基于风致振动机理的微型压电风能采集器

提出一种基于风致振动机理的微型风能采集装置,可将风能转换为电能加以利用。装置主要包括腔体和压电薄膜振动传感器,传感器一端固定,另一自由端附加细长圆柱体结构。利用细长圆柱体在气流中更易诱发涡激振动的原理,并结合结构体在一定气流条件下存在的其他风致振动机理,该装置可将风能转换为压电薄膜传感器的振动,然后进一步转换为电能。本结构设计尺寸为30mm×16mm×14mm,在风速为7m/s,外加负载为1.8 MΩ时,可以获得0.84μW的有效功率。同时可通过并列增加压电薄膜梁结构的数量来提高能量采集的效率。     

基于压电振动能采集器的无线频率检测节点

振动频率检测在旋转机械运行状态监测和大型建筑物结构健康监测等领域具有重要应用,为了实现振动频率检测节点的自供能,该文设计了基于压电振动能采集器的无线振动频率检测节点,该节点由两个压电振动能采集器、电源管理电路和无线测频电路组成。利用LTC3588-1和LT3009芯片组成的电源管理电路,将采集器一输出的交流电压整流稳压转换为直流电压为节点供电,采用低功耗微控制器MSP430F149对采集器二的输出电压进行处理得到环境振动频率,进一步利用无线收发芯片nRF24L01实现信号的发送。振动台实验表明,在加速度幅值为1 g(g=9.8m/s2),振动频率为53Hz时,该节点可每隔120s无线发送环境的振动频率。     

Design and Simulation of Silicon-based NiCrAu MEMS Torsion Micromirror with Tilted Back-electrode

Torsion micromirror is a key structure of optical devices in micro-electro-mechanical system (MEMS), such as MEMS optical switches, MEMS variable optical attenuator, MEMS scanning micromirror array and so on. A silicon-based NiCrAu MEMS torsion micromirror is theoretically analyzed. It is shown that in order to have 15~ rotation, the driven voltage should be about 20 V and the thickness of the supporting beam must be controlled in the range of submicron orders of magnitude. This very thin beam makes the structure more unstable and unreliable, and also makes the fabrication more complicated. Based on parallel backelectrode analysis and testing, a tilted back-electrode has been designed to replace the parallel back-electrode in order to decrease the driven voltage and difficulty of fabricating processing. By theoretical analysis and simulation, a conclusion can be drown that the thickness can be improved from submicron to micron by using tilted back-electrode when using the same driven voltage. Tilted back-electrode is very effective to improve the stability and reliability of the micromirror structure.     

多向振动俘能器设计及能量收集实验研究

针对线性、单一的振动能量俘能器存在工作频带狭窄、只能采集单向振动等问题,该文提出了一种适应货运列车等多向振动应用场景的新型多向振动俘能装置,以增强对环境中振动能量的俘获。该装置结合压电和电磁俘能器,通过螺旋圆柱弹簧和顶端质量有效捕获多向振动,并通过磁力传递振动能量至压电梁。合理设计了弹簧-质量结构,使其在较低的频率范围内可实现多种振动模态,拓宽了俘能器的谐振频带。为了充分利用压电材料,采用了变宽度压电悬臂梁,使应力均匀分布。压电梁自由端的永磁体随着压电梁的振动而产生变化的磁场,在线圈中产生感应电压。通过有限元分析和实验测试,验证了复合式俘能器可以采集多向振动能量,并测试了在z向振动激励下压电、电磁及复合式俘能器的最大输出功率。在频率9.5 Hz、z向振幅2 mm的正弦波激励下,复合式俘能器输出最大功率为3.276 mW。该系统在理论上可为低功耗传感器提供持续电力,为机械能收集与能量转换领域提供技术支持。     

两轴稳定平台的模糊-PID复合控制器设计与仿真

根据两轴光纤陀螺雷达天线稳定平台的工作要求,设计了经典PID稳定回路控制器和跟踪回路控制器,并设计了基于遗传算法的跟踪回路模糊控制器。针对两种位置控制器的不足,设计了模糊控制调整加权因子的模糊-PID复合控制器。仿真结果表明,采用复合控制器可以加快系统跟踪速度,提高系统强抗干扰能力,并能保持较高的跟踪精度。     

基于拱形结构的摩擦-压电复合式能量采集器

随着纳米技术和加工工艺的发展,纳米发电机被提出用于将自然界中微弱低频振动机械能转化为电能,进而为小型传感系统长续航工作提供可能.基于摩擦纳米发电机和压电纳米发电机的电荷积累与转移规律,设计了拱形结构并构建了摩擦-压电复合式能量采集器,将两种力-电转换模式有效整合,并突破了以往能量采集器只能收集垂直方向机械能的限制.搭建...     

非线性压电-电磁复合式俘能器的结构设计

非线性技术可使压电式能量采集获得较宽的振动频率和较高的输出电压,该文基于非线性振动研究提出了一种新型的非线性压电-电磁复合式俘能器,将非线性压电-电磁复合式俘能系统等效为含有非线性刚度的质量-弹簧-阻尼振动系统,推导出俘能器的总输出平均功率公式。在0.6g简谐激励下,磁铁间距为2.5 mm,3mm,4mm时,对非线性压电-电磁复合式俘能器进行了实验测试,结果表明,随着磁铁间距的减小,引力增大,非线性俘能器的谐振频率降低,3dB带宽升高。     

高频压电复合材料球形换能器仿真设计

该文仿真设计了一种高频压电复合材料球形换能器,利用COMSOL软件建立了有限元模型,计算了换能器的声辐射特性,分析了不同压电陶瓷材料、不同基元尺寸对换能器声辐射特性的影响。仿真分析结果表明,球形高频换能器具有高频、宽带及可全向辐射声波等特性,能广泛应用于水声探测与成像发射换能器及其阵列。     

新型组合螺旋压电能量收集器的设计与研究

提出了一种新型组合螺旋压电能量收集器。该收集器的底部是直角螺旋结构,顶部是圆弧螺旋结构,圆弧螺旋结构固定在直角螺旋结构的质量块上。通过旋转圆弧螺旋结构90°,可以得到四种结构,角度分别为0°,90°,180°,270°。直角螺旋结构的设计可以降低谐振频率,而圆弧螺旋结构的设计不仅可以降低谐振频率,还可以使整体结构进行多方向能量收集,从而提高输出。文章所提到的单个悬臂梁结构的厚度为1 mm,宽度为6 mm。通过计算及仿真可得,当两种结构的组合角度为180°时,可以得到最大输出电压为13 V,最大输出功率为1.3 mW。     

一种无线信道复合衰落模型的分析与仿真

移动通信过程中由于移动设备所处的环境不同,存在不同的信道衰落,从各种衰落模型的相互关系出发,提出了一种移动无线衰落信道混合应用模型。通过实现瑞利衰落分布和对数正态分布,经线性和非线性变换可以得到Nakagami和Suzuki等分布。对提出的复合衰落模型进行仿真,仿真结果符合理论值。该混合衰落模型设计和仿真方法可以用于指导信道模拟器设计和通信系统仿真。     

基于EM算法的最优斜高斯核设计

对于采用固定窗或核的时频分布，其适用的信号形式具有很大的局限性。基于信号的核能克服这样的缺点，斜高斯核是其中一类，为了得到基于不同信号的最优斜高斯核，本文提出采用ＥＭ算法根据实际信号的模糊函数估计斜高斯核的参数，以达到核的最优设计。