悬臂梁双压电振动能量采集器发电性能研究

为了收集环境中的振动能量,实现无线传感器网络节点等低能耗器件的自供电,针对电动机的机械振动,设计了一种可采集电动机振动能量的压电振动能量采集器。研究了电动机转速、负载阻值和悬臂梁自由端固定不同质量永磁铁块对压电振动能量采集器输出电压和输出功率的影响。实验结果表明,负载上电压随着负载阻值的增大而增大;输出功率不随负载阻值和所加永磁铁质量的增大,而是存在一个最优负载和一个最佳质量的永磁铁,当电动机的振动频率等于悬臂梁双压电振子的固有频率时,输出功率达到最大,并与理论计算值接近。     

交流输电线路杆塔侧的电势能采集可行性研究

基于电容式电势能采集器采集交流输电杆塔周围空间的电势能,为安装于杆塔上的输电线路在线监测装置供电.文中首先分析了电容式电势能采集的电路模型和负载阻值对采集器输出功率的影响,得到了获取最大能量的条件.然后针对交流双回500 k V干字型输电杆塔的塔头电场分布情况进行了数值仿真,得到电势能采集器适合的安装位置.最后通过实验测量到直径40 cm、间距15 cm的电容式采集器在电场发生单元工频电压为50 k V时,24 s内采集的能量为5 m J,可以等效为208#W的输出功率,满足无线传感器的最小功率要求.实际的架空输电线路运行电压更高,如能在杆塔上有效利用高场强区域,优化电容采集器结构,则完全可能实现更高的功率输出,并最终为安装于杆塔上的在线监测装置供电.     

采用振动能量技术的稳压电源设计

为了解决无线终端等低功耗嵌入式设备的供电问题,提出了一种采用振动能量采集芯片的稳压电源设计方案.介绍了振动能量采集器的工作原理,给出了稳压电源电路设计方案,分析了能量转换的工作过程,并根据振动采集的特点和负载供电的需求,选择合适的无源器件参数.最后给出了仿真数据,结果表明:该振动能量稳压电源转换效率高,输出电压纹波和噪声低,能够为适用负载提供可靠供电.     

悬臂梁双压电振动能量采集器的发电性能

为了收集环境中的振动能量,实现无线传感器网络节点等低能耗器件的自供电,针对电动机的机械振动,设计了一种可采集电动机振动能量的压电振动能量采集器。研究了电动机转速、负载阻值和悬臂梁自由端固定、不同质量永磁铁块对压电振动能量采集器输出电压和输出功率的影响。实验结果表明,负载上电压随着负载阻值的增大而增大;输出功率不随负载阻值和所加永磁铁质量的增大,而是存在一个最优负载和一个最佳质量的永磁铁。当电动机的振动频率等于悬臂梁双压电振子的固有频率时,输出功率达到最大;并与理论计算值接近。     

微型压电及磁电式能量采集器的研究进展

无线传感器网络是二十一世纪影响人们生活的关键技术之一,具有广阔的应用前景,而微型能量采集器因最有可能代替传统电池为其节点供电,已成为国内外的研究热点。重点介绍了国内外压电式及磁电式微型能量采集器的研究进展;分析了其结构设计、器件性能,包括器件固有频率、输出电压以及输出功率等关键性参数,总结了其能量收集模块与能量储存模块的优缺点,对未来研究工作所面临的挑战及发展趋势进行了讨论。     

太阳能无线传感器网络的能量预测与管理

无线传感器网络存在电池电量受限问题.为延长网络寿命,传感器节点可以通过太阳能电池板将太阳能转换成电能以供自身运转.基于太阳能的不确定性和间歇性等特点,提出了一种太阳能收集预测算法和能量管理方案,根据预测的能量,调整传感器节点的调度计划,实现节点的能量消耗中性,从而使无线传感器网络能够长期稳定地工作.仿真实验表明,所提出的方案在能量预测精度和能量管理策略方面有明显的优势.     

基于OODA的能量采集型无线传感器及执行器网络系统应用

无线传感器/执行器网络因为其感知能力与执行能力相结合的特点,非常适合精准农业应用.太阳能具有方便采集、清洁、可再生等特性,是践行精准农业绿色可持续发展,减少资源消耗和保护生态的重要手段.基于观察(Observe)、定位(Orient)、决策(Decide)、执行(Act)的OODA循环模型,将能量采集技术与无线传感器/执行器网络技术有效结合,研究适合无线传感器/执行器网络系统的OODA循环模型.在此基础上,提出一种能量采集型精准农业无线传感器/执行器网络系统框架,分析其组成结构、工作模式,并给出部分软硬件的参考设计及设备选型.由于能量采集机制和精准农业应用的独特性,提出了部分需要研究的关键技术,为下一步研究工作指明了方向.     

双自由度磁悬浮式桥梁振动能量采集器数值仿真和优化

提出了一种能利用桥梁振动能量为传感器持续供电的双自由度磁悬浮振动能量采集器(TMEH),该系统的能量采集效率远高于传统单自由度磁悬浮振动能量采集器(SMEH).推导了TMEH系统的运动控制方程和机电耦合方程;建立了TMEH的多目标优化模型,提出了基于NSGA2算法的能量采集器参数优化设计方法;最后将TMEH和SMEH在简谐振动激励和桥梁随机振动激励作用下的响应特性和能量采集效率进行了对比.研究结果表明:1)通过NSGA2算法优化设计,TMEH能获得更宽的采能带宽和更高的输出功率;2)TMEH比SMEH的采能效率有明显提高.在简谐振动激励和桥梁随机振动激励作用下,TMEH的输出功率比SMEH增加了约2倍.     

面向智能轴承自供电系统的压电-摩擦复合式振动能量采集器

针对智能轴承外圈径向开槽结构中以电池供能的状态监测设备存在应用场合受限的问题，提出了一种适用于智能轴承自供电系统的压电-摩擦复合式振动能量采集器。该能量采集器以带双质量块的三角形单晶压电悬臂梁为基础，在悬臂梁的振动方向上有机集成兼具限位功能的摩擦纳米发电机，实现了振动和限位碰撞过程中压电-摩擦电两种模式的复合协同发电，有效利用了空间并提高了输出性能。同时，利用集中参数法建立了能量采集器的机电耦合动力学模型，通过COMSOL软件分析了不同结构与尺寸对压电悬臂梁固有频率和输出电压的影响，并通过试验验证机电耦合动力学模型与仿真分析的准确性。试验结果表明：所提能量采集器能够在0～28.2 m/s²的智能轴承正常工作振动加速度范围内有效工作；在加速度为2 m/s²时，该采集器的压电和摩擦电单元开路输出电压最大峰峰值分别可达1.28 V和1.05 V;在加速度为20 m/s²时，该采集器的压电和摩擦电单元开路输出电压最大峰峰值分别可达2.85 V和1.18 V。     

无线传感器的能量收集：振动中的特点

无线传感器在军事、农业、医疗等领域都有广泛应用。但能量的储存直接决定了无线传感网的规模和生命力。传统的电池无论在体积和能量储备上都难以达到无线传感器的要求。本书综述了各种可能的能量来源。通过各种能源的比较，得出了环境振动是一个令人振奋和值得研究的能源。本书提出了基于静电和压电的能量转换器模型，并且将这些模型通过模拟真实环境的振动来加以验证。     

基于电镀铜平面弹簧的微型电磁式振动能量采集器

采用微机电系统加工技术制作出一种结构新颖的微型电磁式振动能量采集器,它可以把周围环境中的振动能转换为电能。整个结构主要由圆形SmCo28永磁体、铜平面弹簧和双层线圈构成。采用UV-LIGA技术和电镀技术制作铜平面弹簧和双层线圈,并与永磁体一起组装成试验样机,其体积大约为200mm3。Ansys有限元仿真结果表明共振结构的一阶固有频率为129.3Hz。对组装好的电磁式振动能量采集器试验样机的初步测试表明：在加速度为3g（g=9.8m/s2）的外界输入冲击下,负载两端的交流电压峰峰值为32.5mV。     

基于压电的传感器自供电系统设计方法

针对规模化养殖场通风状态监测的需求,设计风致振动压电俘能系统解决监测传感器自供电问题.自供电系统由压电俘能结构和能量管理电路组成,可将风能转换为电能.分析和测试结果表明压电式俘能结构可输出电压10.88 V,功率6.975 mW;LTspice软件仿真结果表明能量管理电路可实现电压转换,并稳定输出电压3.3 V.根据机械系统与电路系统的相似关系,对自供电系统整体建模,Matlab/Simulink软件仿真结果显示:压电俘能结构输出电压10.87 V、功率6.989 mW,自供电系统终端可输出3.3 V电压,结果与俘能结构和能量管理电路仿真、测试结果基本一致,说明系统整体建模正确,方案合理.通过现场测试,通风口处风速为2.6 m/s时,自供电系统能够输出电压3.3 V,为监测传感器稳定供电,该研究可在通风监测传感器自供电系统中广泛应用.      

实现低功耗设备自供电的振动能量采集技术

环境中的振动无处不在,将振动转换为电能可为低功耗设备提供永不枯竭的能量。本文介绍了振动能量采集技术的应用领域、描述了振动转化成电能的四种方式并对它们进行了比较。同时介绍了商用振动能量采集器的现状。     

关于内共振压电能量采集器

内共振可以加强压电能量采集器.忽略电量的耦合,导出了内共振条件的解析表达式,与考虑电量耦合的精确情形相比,误差很小.数值计算输出电压的均方根表明,用该方法设计的内共振压电能量采集器在Gauss白噪声、2阶滤波产生的色噪声、窄带色噪声和指数相关色噪声激励下,都有良好的性能.     

能量获取传感器网络的超级电容建模研究

随着能量获取传感器网络的快速发展,超级电容作为一种性能优越的储能元件而被广泛运用于传感器节点的能量存储和管理模块.然而,现有的关于超级电容在能量获取传感器网络系统中作用和地位的认识是比较粗略的.文章首先介绍超级电容的主要建模思路,在进行各模型性能综合分析的基础上,依据超级电容的内部结构及其工作原理,指出了现有模型不可避免的问题;接着提出一种新的建模思路,其能更精确地估计传感器网络获取的环境能量;最后针对未来超级电容建模,提出一些针对性的建议.     

磁控形状记忆合金振动发电机原理及建模方法研究

在能源日益缺乏的今天,环境中普遍存在的振动能量成为很多科技工作者新的能源资源。重点研究磁控形状记忆合金(magnetic controlled shape memory alloy,MSMA)振动发电机的建模问题。为了充分利用MSMA变形率大、易于控制、可逆效应输出感应电压大的特点,提出了利用MSMA的维拉利效应收集振动能量的发电机原理。通过分析MSMA马氏体相变特性和磁畴运动模式,利用吉布斯自由能函数,建立了MSMA振动发电机的数学模型,求出在磁场和振动力共同作用下振动发电机感应电动势与磁化强度和应变量的数学关系。分别分析了外加振动力、施加磁场、振动频率变化时对发电机输出电压的影响。仿真结果验证了利用MSMA合金制作微型振动发电机的可行性及数学模型的正确性。     

高性能无线传感器网络分簇算法

为解决无线传感器网络中经典低能量自适应分簇算法产生的簇头数量分布不稳定,从而导致网络生存时间变短问题,提出一种基于双重选举机制的分簇算法(TSSCH).仿真结果表明,与经典低能量自适应分簇算法(LEACH)相比,TSSCH算法可保证无线传感器网络的簇头数量更加合理地分布在最优值周围,从而能够更好地均衡无线传感器网络负载,达到延长无线传感器网络生命期的目的.     

一种基于能量和距离的多级能量异构传感器网络路由算法

为了能有效地利用节点能量的异构性,降低网络能耗、延长网络稳定周期,提出了一种同时考虑节点剩余能量和节点至基站距离的多级能量异构无线传感器网络的分簇路由算法.在节点簇间综合考虑簇头剩余能量及其与基站的通信能耗,以选择合适的下一跳路由节点.仿真结果表明,该算法可以有效地均衡网络能量消耗,延长网络稳定周期.该路由算法在维持节点存活个数、降低网络能量消耗及增加网络数据传输吞吐量等指标方面优于几种常见传感器网络路由算法,表明在综合考虑能量和距离等因素后能够获得比单一考虑能量或者距离的算法更优的运行结果.     

无线传感器网络能量模型

随机抛洒的无线传感器节点形成何种逻辑拓扑结构将直接影响高层通信协议和网络运行能耗,而合理使用有限能量资源是无线传感器网络研究的核心问题.基于传感器节点工作能耗分布特点和数据传输能耗模型,建立传感器节点能量模型和网络传输模式模型,对单跳传输和多跳传输两种方式下的网络总能耗和单节点能耗进行理论计算,并分析不同网络拓扑结构对网络能耗和网络运行的影响.通过理论计算推导出不同网络拓扑结构和传输模式下无线传感器网络总能量消耗公式和网络能耗分布规律,为设计能量有效的无线传感器网络拓扑结构提供指导,为实现无线传感器服务质量体系下的高层通信协议提供理论基础.     

无线传感器网络基于能量估计自适应算法SESP

无线传感器网络节点自身携带的能量有限,为了延长节点的使用寿命,在研究无线传感器网络节点能量消耗的基础上,提出一种基于同设备同参数能量估计的自适应算法SESP.SESP算法选择簇首时,不需发起通信以获知簇内其他节点的剩余能量,减少了簇内的通讯量,同时也简化了节点能量估计的计算复杂度,从而降低节点的能量,延长无线传感器网络的生命周期.