近年來,隨著低功耗超大規(guī)模集成電路設(shè)計和CMOS制造的發(fā)展,無線傳感器節(jié)點的功率消耗不斷降低,從原來的mW級降至?W級。無線供電以及長期供電是傳統(tǒng)的供電方式所不能滿足的,能量供給問題已經(jīng)成為目前限制無線傳感器、無線通信系統(tǒng)等電子設(shè)備推廣和發(fā)展的重要影響之一。持續(xù)性或間歇性的振動廣泛存在于實際的生產(chǎn)生活中,例如加工零件過程中產(chǎn)生的切削振動、車輛行駛中的顛簸振動、行走的人們以及橋梁振動等。通過技術(shù)手段利用環(huán)境中的振動產(chǎn)生得電能,將是解決小功率電子設(shè)備供電問題的有效途徑之一。與此同時也是推動綠色環(huán)保、低碳生活理念的重要方式。本文采用具有雙向換能效應(yīng)的新型功能材料—磁致伸縮材料設(shè)計了懸臂式磁致伸縮沖擊振動收集器,并展開相關(guān)工作特性研究。本文以磁致伸縮材料的逆效應(yīng)特性為理論基礎(chǔ),并觀測Fe-Ga的金相組織,提出了一種新的以薄膜狀磁致伸縮材料做為核心元件,采用ansys有限元分析優(yōu)化了預(yù)磁化場的分布情況,確定永磁體的布置方式,利用實驗驗證,實驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合;分析了基底尺寸的大小對Fe-Ga合金薄片的固有頻率和端點位移的影響;對拾取線圈的參數(shù)進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計,最終完成了對以薄片狀Fe-Ga作... 

【文章來源】：沈陽工業(yè)大學(xué)遼寧省

【文章頁數(shù)】：65 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

電磁式振動發(fā)電系統(tǒng)示意圖

沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文4電磁式振動能量收集裝置不需要外部驅(qū)動電源和智能材料等優(yōu)勢。但需要永磁鐵和線圈兩個重要元件[18]，電磁式振動能量收集裝置其結(jié)構(gòu)尺寸較大、輸出電壓較低、輸出功率較低等不足。1.2.2靜電式能量收集技術(shù)靜電式振動能量收集技術(shù)主要依靠靜電效應(yīng)原理，目的將振動能量轉(zhuǎn)換為有效電能。在振動能量收集裝置最初通過一個持續(xù)供電的設(shè)備為電容器施加，實現(xiàn)電壓對外傳輸電能，從而使電容器之間產(chǎn)生電壓差，將機(jī)械振動引起極板距離或相對位置發(fā)生變化，相對改變電容值[19]，當(dāng)外界環(huán)境中的振動發(fā)生變化時，回路中會產(chǎn)生電流，電流發(fā)生的變化會產(chǎn)生電能，將機(jī)械動能轉(zhuǎn)化為電能，從而實現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)化的目的。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對靜電式能量收集技術(shù)進(jìn)行研究，Roundy等[20]于2002年提出了如圖1.3所示的兩種不同的靜電式能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),分別為改變距離式結(jié)構(gòu)（a）和改變交疊面積式結(jié)構(gòu)（b）兩種結(jié)構(gòu)。圖（a）變間距式結(jié)構(gòu)圖（b）變面積式結(jié)構(gòu)圖1.3靜電式振動能量收集裝置原理圖Fig.1.3Schematicdiagramofelectrostaticvibrationenergycollectingdevice靜電式振動能量收集技術(shù)，外部激勵振源作用時將引起兩板之間的距離與相對重疊面積大小發(fā)生改變，極板之間間距d、極板間的介質(zhì)和相對交疊面積S變化時電容C會隨改變。通常極板間的電場可以看成均勻的電場，電容量C和電容儲存的能量Ec分別表示為:dSεεdεSCr0CQ21E2C式中：ε=ε0εr；為極板間介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)，ε0=8.86×10-12F/m；εr為介電常數(shù)；S為極板相對交疊面積；d為極板間距；Q為極板電荷，所以只要改變d、S和ε中任意一個參數(shù)，電容量就會發(fā)生改變，機(jī)械動能就會轉(zhuǎn)化為電能。（1.2）（1.3）

第1章緒論5目前，靜電式振動能量收集技術(shù)應(yīng)用在大量能量發(fā)電器中得到了廣泛的使用。不少國內(nèi)外學(xué)者對駐極體引導(dǎo)的微型能量收集裝置進(jìn)行了研究［21-24］。2007年，Sterken等［25］采用微加工技術(shù)研究出駐極體微型能量收集裝置，如圖1.4所示，研究出裝置的力學(xué)與電學(xué)模型。通過結(jié)果可知，該能量收集裝置在加速度為1g、負(fù)載電阻為1MΩ、頻率為500Hz時，輸出功率為2nW。2009年，Naruse等［26］研究了微球支撐的低頻靜電式微型能量收集裝置，如圖1.5所示，通過滑動部件在導(dǎo)軌上做往復(fù)的運(yùn)動。分析結(jié)論可得出，在頻率為2Hz、加速度為0.4g的振動激勵下，輸出功率為40μW，實現(xiàn)低頻靜電式能量收集。圖1.4微加工制作的駐極體能量收集裝置圖1.5微球支撐的靜電式能量收集裝置Fig.1.4PolarenergycollectingdeviceFig.1.5Electrostaticenergycollectingformicrofabricationdevicesupportedbymicrospheres由于靜電式的振動能量收集方式不需要使用新型功智能材料，可以實現(xiàn)與微機(jī)電系統(tǒng)的集成，且鍥合度較好，其通�？珊雎灾C振效應(yīng)，優(yōu)點是具有較寬頻帶的能量收集范圍等。但，靜電式的振動能量收集方式需要接入一個穩(wěn)定的外部電源，無法應(yīng)用于不易更換的場所，且產(chǎn)生的電流較低、輸出阻抗高，能量收集裝置的加工工藝復(fù)雜，效率較低。因此靜電式振動能量收集技術(shù)優(yōu)化是未來的研究重點。1.2.3壓電式能量收集技術(shù)壓電式能量收集技術(shù)主要依靠壓電效應(yīng)，壓電材料具有正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)兩種［27-28］。當(dāng)外力的方向發(fā)生改變時，電荷的極性也會隨外力方向的改變而隨之變化；要使其恢復(fù)到初始不帶電的狀態(tài)，即把外界激勵撤離。而逆壓電效應(yīng)則指壓電材料發(fā)生極化和形變，所處在磁場中會對應(yīng)產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，在材料性能允許的范圍內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變的變形大小

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[3]基于壓電材料的振動發(fā)電裝置的研究[D]. 王軍龍.江蘇大學(xué) 2010
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本文編號：3126200