基于二级振动结构耦合的微型能量采集器

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hymalong
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随着物联网和可穿戴设备的飞速发展,振动能量采集作为一种遍在性的新型微能源技术受到了越来越多的关注和需求。本论文研究微型振动能量采集器,基于非接触耦合的二级振动式结构设计制作了针对低频宽频带环境振动的能量采集器和用于“事件驱动”功能的振动自感知能量采集器,并设计实现了基于振动自感知能量采集器的自供能无线振动报警系统。  针对低频宽频带环境振动,并为了避免器件工作中的碰撞、磨损等弊端,本论文提出了非接触耦合的二级振动式能量采集器构型。该构型利用固有频率较低的感应振子吸收环境振动,再通过非接触的耦合方式将能量传递给固有频率较高的发电振子发电。通过宏观尺度电磁和压电能量采集器样机的制作,表明这种构型具有良好的低频宽频带能量采集性能。  本论文在宏观样机的基础上研究了低频宽频带能量采集器的小型化设计和制造,通过在二级振子上拓展上变频效应和引入多自由度感应振子,来提升微小型能量采集器的低频宽频带响应。结合机加工与微加工方法,实现了微型能量采集器的关键部件制作。制作出的器件具有很好的低频宽频带能量采集器性能,在10-30Hz内都有平坦的输出功率特性。  针对能源极度受限条件下的无线振动传感需求,基于“事件驱动”传感原理,本论文提出一种振动自感知能量采集器和基于该器件的自供电无线自主报警微系统。结合机加工与微机工方法,制作了出了基于PZT压电陶瓷的微型能量采集器。该器件实现了只有当激励振动加速度幅值达到预设阈值时才发电,并可通过设计参数对阈值进行精确调节。自供能无线振动报警微系统运用“能量到信息”原理,根据能量采集器输出能量积累量来判断宿主结构运动强度或运动量,进而实现自主无线报警。搭建的验证系统在能量采集器工作45s后,能够完全依靠收集的能量以10dBm功率自主无线发送长度9字节的报警信号,为实用化的自供能无线振动报警微系统打下了基础。
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