采用層合磁電換能器的振動(dòng)能量采集器研究.pdf

1、隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到了廣泛的應(yīng)用。大多數(shù)的無(wú)線傳感器都通過(guò)電池來(lái)供給能量,但由于無(wú)線傳感器體積微小,自身攜帶的電池能量有限,不能滿足長(zhǎng)期工作需要。同時(shí),隨著低功耗大規(guī)模集成電路的發(fā)展,芯片需要的功耗越來(lái)越低,己降到μW至mw級(jí)的水平。因此,收集自然環(huán)境中的能量并轉(zhuǎn)換為電能,實(shí)現(xiàn)傳感器的自供電,可解決電池使用壽命短的問(wèn)題。由于環(huán)境中的振動(dòng)無(wú)處不在,且具有較高的功率密度,將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能,為微器件提供能量,可使

2、微器件獲得永不枯竭的能源。
　　 磁致伸縮/壓電層合磁電換能器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制備容易,磁電電壓系數(shù)高等特點(diǎn),在傳感器、換能器等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用價(jià)值,引起了許多研究者的關(guān)注。由于磁致伸縮材料具有很高的能量密度和磁-機(jī)耦合系數(shù),在較小變化磁場(chǎng)的作用下,能使磁電換能器產(chǎn)生較高的電壓輸出。據(jù)報(bào)道,磁電換能器的磁電電壓系數(shù)已達(dá)到50.7V/Oe,在諧振時(shí)能夠測(cè)量2×10-12T的磁場(chǎng),非諧振時(shí)能夠測(cè)量1×10-10T的磁場(chǎng)。利用磁電換能器

3、還可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能量的采集,這種采集方式稱為磁電式振動(dòng)能量采集。磁電式振動(dòng)能量采集比傳統(tǒng)的壓電、電磁和靜電方式能輸出更高的功率,而且還可以同時(shí)采集振動(dòng)和電磁波的能量,實(shí)現(xiàn)振動(dòng)和電磁波的雙供能。因此,本論文在國(guó)家863計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下,對(duì)采用層合磁電換能器的振動(dòng)能量采集器進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。論文的具體工作和主要研究結(jié)果如下:
　　 1)磁致伸縮/壓電層合材料的輸出特性與工作模式密切相關(guān),工作模式不同,其輸出特性也不同。

4、對(duì)層合材料的多種工作模式進(jìn)行了對(duì)比研究,研究表明,采用L-T工作模式的層合材料更適合用作為振動(dòng)能量采集器的換能元件。利用等效電路法對(duì)層合材料L-T模式的輸出特性進(jìn)行了理論研究,并對(duì)層合材料的輸出功率影響因素進(jìn)行了討論。
　　 2)從磁電式振動(dòng)能量采集器的原理出發(fā),建立了磁電式能量采集器的分析模型,該模型可作為磁電式振動(dòng)能量采集器分析和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。由于采集器振動(dòng)時(shí)受到磁場(chǎng)力的作用,使得采集器的運(yùn)動(dòng)具有非線性特性。論文利用林斯泰特-

5、龐加萊法研究了能量采集器的非線性振動(dòng)特性,同時(shí)將能量采集器的振動(dòng)方程和磁電換能器的磁電特性結(jié)合,分析了能量采集器的機(jī)-磁-電轉(zhuǎn)換特性。同時(shí),利用諧波平衡法對(duì)采集器的振幅-頻率特性和電壓-頻率特性進(jìn)行了研究。
　　 3)采用單個(gè)磁電換能器設(shè)計(jì)了一種能在低水平振動(dòng)下輸出高功率的能量采集器,該能量采集器采用懸臂梁作為振動(dòng)敏感機(jī)構(gòu),并用四個(gè)NdFeB磁鐵組成磁路放在懸臂梁末端。磁路能在空氣隙中產(chǎn)生梯度較大的非均勻磁場(chǎng),使得磁電換能器在較

6、小的振動(dòng)下感應(yīng)到較大的磁場(chǎng)變化量,輸出較高的功率。利用等效磁荷理論,分析了空氣隙磁場(chǎng)分布以及振動(dòng)時(shí)磁路受到的磁力,并對(duì)能量采集器的機(jī)-磁-電轉(zhuǎn)換特性進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究,研究表明理論和實(shí)驗(yàn)吻合得較好。同時(shí),根據(jù)采集器的分析模型對(duì)采集器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化后的采集器能在0.5g(1g=9.8m/s2)振動(dòng)加速度下輸出1.099mw的功率,相應(yīng)功率密度達(dá)到0.406mW/cm3,在1g振動(dòng)加速度下能輸出1.44mW的功率,相應(yīng)的功率密度

7、達(dá)到0.532mW/cm3。
　　 4)為了進(jìn)一步提高振動(dòng)能量采集器的功率和功率密度,研究了采用多個(gè)磁電換能器的振動(dòng)能量采集器結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)與采用單個(gè)換能器的采集器結(jié)構(gòu)相比,沒(méi)有增加采集器的體積,但能輸出更高的功率,并增大了采集器的功率密度。論文對(duì)采用多個(gè)磁電換能器的個(gè)數(shù)以及最佳相對(duì)初始位置進(jìn)行了研究,并對(duì)采用四個(gè)換能器的振動(dòng)能量采集器進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。同時(shí),對(duì)采用不同換能器個(gè)數(shù)的振動(dòng)能量采集器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究,實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)