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随着无线传感器网络高速发展,无线传感器网络得到了广泛的应用。大多数的无线传感器都通过电池来供给能量,但由于无线传感器体积微小,自身携带的电池能量有限,不能满足长期工作需要。同时,随着低功耗大规模集成电路的发展,芯片需要的功耗越来越低,己降到μW至mw级的水平。因此,收集自然环境中的能量并转换为电能,实现传感器的自供电,可解决电池使用寿命短的问题。由于环境中的振动无处不在,且具有较高的功率密度,将振动能量转换为电能,为微器件提供能量,可使微器件获得永不枯竭的能源。
磁致伸缩/压电层合磁电换能器具有结构简单,制备容易,磁电电压系数高等特点,在传感器、换能器等领域有很大的应用价值,引起了许多研究者的关注。由于磁致伸缩材料具有很高的能量密度和磁-机耦合系数,在较小变化磁场的作用下,能使磁电换能器产生较高的电压输出。据报道,磁电换能器的磁电电压系数已达到50.7V/Oe,在谐振时能够测量2×10-12T的磁场,非谐振时能够测量1×10-10T的磁场。利用磁电换能器还可实现振动能量的采集,这种采集方式称为磁电式振动能量采集。磁电式振动能量采集比传统的压电、电磁和静电方式能输出更高的功率,而且还可以同时采集振动和电磁波的能量,实现振动和电磁波的双供能。因此,本论文在国家863计划和国家自然科学基金的资助下,对采用层合磁电换能器的振动能量采集器进行了理论和实验研究。论文的具体工作和主要研究结果如下:
1)磁致伸缩/压电层合材料的输出特性与工作模式密切相关,工作模式不同,其输出特性也不同。对层合材料的多种工作模式进行了对比研究,研究表明,采用L-T工作模式的层合材料更适合用作为振动能量采集器的换能元件。利用等效电路法对层合材料L-T模式的输出特性进行了理论研究,并对层合材料的输出功率影响因素进行了讨论。
2)从磁电式振动能量采集器的原理出发,建立了磁电式能量采集器的分析模型,该模型可作为磁电式振动能量采集器分析和设计的基础。由于采集器振动时受到磁场力的作用,使得采集器的运动具有非线性特性。论文利用林斯泰特-庞加莱法研究了能量采集器的非线性振动特性,同时将能量采集器的振动方程和磁电换能器的磁电特性结合,分析了能量采集器的机-磁-电转换特性。同时,利用谐波平衡法对采集器的振幅-频率特性和电压-频率特性进行了研究。
3)采用单个磁电换能器设计了一种能在低水平振动下输出高功率的能量采集器,该能量采集器采用悬臂梁作为振动敏感机构,并用四个NdFeB磁铁组成磁路放在悬臂梁末端。磁路能在空气隙中产生梯度较大的非均匀磁场,使得磁电换能器在较小的振动下感应到较大的磁场变化量,输出较高的功率。利用等效磁荷理论,分析了空气隙磁场分布以及振动时磁路受到的磁力,并对能量采集器的机-磁-电转换特性进行了理论和实验对比研究,研究表明理论和实验吻合得较好。同时,根据采集器的分析模型对采集器进行了优化设计,优化后的采集器能在0.5g(1g=9.8m/s2)振动加速度下输出1.099mw的功率,相应功率密度达到0.406mW/cm3,在1g振动加速度下能输出1.44mW的功率,相应的功率密度达到0.532mW/cm3。
4)为了进一步提高振动能量采集器的功率和功率密度,研究了采用多个磁电换能器的振动能量采集器结构。该结构与采用单个换能器的采集器结构相比,没有增加采集器的体积,但能输出更高的功率,并增大了采集器的功率密度。论文对采用多个磁电换能器的个数以及最佳相对初始位置进行了研究,并对采用四个换能器的振动能量采集器进行了理论和实验研究。同时,对采用不同换能器个数的振动能量采集器进行了实验对比研究,实验研究发现采用四个换能器的最大输出功率达到7.13mW(功率密度为2.631mW/cm3),是采用单个换能器的4.95倍；采用两个换能器的最大输出功率达到4.07mW(功率密度为1.502mW/cm3),是采用单个换能器的2.83倍。