基于碰撞的电磁式振动能采集器研究.pdf

中文摘要 摘 要 微型动能采集器可以将环境中的动能转换为电能，具有体积小、寿命长、免 维护和无污染等优点，其作为电池的替代者或者有益补充，在无线传感器网络、 植入式微系统等方面具有广阔的应用前景。针对环境振动的低频、宽带和微弱的 特征，开展基于碰撞的电磁式振动能采集器研究具有重要的意义。 本论文在课题组前期研制的电磁式振动能采集器基础上，优化了采集器结构， 提高了功率密度和长期稳定性，研制出应用型电磁式振动能采集器样机，并成功 驱动了一个中远距离通信的无线传感节点；针对体积敏感的应用场景，对基于碰 撞的微型电磁式振动能采集器进行了探索研究，研制出原理样机并对其性能进行 了测试。具体工作如下： ① 针对课题组现有电磁式振动能采集器，提出了通过在磁铁外侧增加碳钢薄 片提高输出性能的技术方案，采用ANSYS 和MATLAB 软件分析了碳钢薄片及阵 列化等对采集器输出性能的影响，完成了应用型电磁式振动能采集器的优化；另 外，针对要求采集器体积很小的应用场景，提出一种基于碰撞的微型化的电磁式 振动能采集器结构； ② 采用 SolidWorks 软件完成了应用型和微型的电磁式振动能采集器的设计， 通过修改弹簧的固定方式提高了应用型电磁式振动能采集器的稳定性，制作出了 两种采集器的原理样机； ③ 对两种样机进行了测试。实验结果表明，当基础激励的幅值和频率分别为 3 0.3g 和 8.3Hz 时，应用型采集器样机的最大功率密度为 304μW/cm ，比前期研制 的器件提高了18.7%，验证了本文提出的增加碳钢薄片提高输出性能的方案的有效 性，其半功率宽带约15.7%或1.3Hz ；微型电磁采集器样机在幅值和频率分别为1g 3 和14Hz 的基础激励作用下，最大输出功率为2.5μW ，功率密度为6.3μW/cm ，与 文献报道的MEMS 电磁式振动能采集器的性能相当； ④ 基于应用型采集器设计了一个中远距离的无线温湿度传感器节点，当环境 振动的幅值和频率分别为 0.3g 和 8.3Hz 时，完成一次数据采集和收发的时间为 22.1s ，通信距离约为210m 。 关键词：振动能采集，电磁感应，阵列，低频，无线传感节点 I 英文摘要 Abstract Micro energy harvester converting ambient energy into electric energy has the advantages of small size, long life, maintenance-free and non-pollution. As a battery replacement, it has broad application prospects in wireless sensor networks and implantable micro-systems. Therefore, it is of great significance to study impact-based electromagnetic vibration energy harvester for low frequency, wideband and weak features of environmental vibration. Based on the electromagnetic vibration energy harvester developed by our research group in the early stage, we optimized the structure of the harveste