振动发电在汽车传感器自供电技术中的应用(附件)
生活中存在着各种微小的能量，平时它们很容易被人们所忽略。如果人们能把它们利用起来，可以带来很大的经济效益。本文通过对当前汽车传感器及现阶段汽车供电方法的背景研究，提出了关于收集振动能量来运用到汽车传感器自供电的设想，并在绪论部分提出了压电、电磁和压电电磁复合的三种办法。接着在第二章节阐述了系统的结构和数学模型的建立，并选择了悬臂梁结构作为研究的对象。而对于接下来的第三章节则是关于悬臂梁模型的各部分的COMSOL仿真及相关的仿真分析。因为收集的能量需要运用于汽车，所以我们需要将所得的能量进行转换，文中采取的方法是通过整流的方式来进行能量的转换。对于转换之后的应用则是具体到某些传感器，所以传感器的选择也十分重要。最终我们通过实验的方式来验证我们所需要的结果。关键词 压电，能量采集，COMSOL仿真，转换电路，汽车传感器目 录
1 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 课题研究意义 1
1.3 振动能量收集 1
1.4 能量转换电路的设计 3
1.5 汽车传感器的简介 3
1.6 论文的主要工作 3
2 系统结构与数学模型 4
2.1 系统结构 4
2.2 数学模型 4
3 建模 5
3.1 简述COMSOL软件 5
3.2 悬臂梁建模过程 6
3.3 永磁铁的建模 9
3.4 线圈的建模 11
4. 悬臂梁的有限元仿真分析 11
4.1 频率仿真分析 11
4.2 频域仿真分析 14
4.3 永磁铁的仿真分析 15
5 转换电路 17
5.1 桥式整流电路 18
5.2 桥式整流电路的仿真 19
6 汽车传感器 19
6.1 汽车传感器简介 19
6.2 汽车传感器的发展及应用 20
6.3 传感器的选择分析与应用 24
7 实验结果分析 24
结论 27
致谢 28
参考文献 29
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
.1 桥式整流电路 18
5.2 桥式整流电路的仿真 19
6 汽车传感器 19
6.1 汽车传感器简介 19
6.2 汽车传感器的发展及应用 20
6.3 传感器的选择分析与应用 24
7 实验结果分析 24
结论 27
致谢 28
参考文献 29
附录A 永磁铁尺寸组合一阶特征频率仿真数据表 31
1 绪论
1.1 课题背景
当今社会，随着经济的快速发展，汽车得到了广泛的使用。而随着汽车智能化以及汽车传感器微型化的发展，车载传感器数量也将大幅度增加，从而遍布汽车的各个部位。大量微型传感器节点的供能问题成为亟待解决的难题之一[1,2]。虽然传感器所需的电量能够由电池提供电能也可以通过采用电力线布线提供电能，但它们都有其自身的局限。如利用电池供电可能会给环境带来污染并且在一些情况下不方便更换电池和给电池进行充电，而利用电力线布线供电则需要考虑的问题会更多，类似于铺设线路的长度，密封性等，另外其成本也是相当高。因为在我们生活的环境中振动是无处不在的，比如工厂车间里发动机的振动,生活中人们骑自行车时的振动，人走路时所产生的振动，以及自然中各种各样的振动。这些振动所产生的能量是巨大的，如果能将其收集并加以利用，这将会带来很大的效益。另外收集环境中的振动能既能减少振动能所带来的不利影响，又能利用平时我们所忽略的能源，还能够减轻环境中的污染。所以人们希望可以从汽车的自身振动环境中收集能量并经过转化成为可用的能源对传感器进行供电。这种供电方式的优点是可以延长低功耗设备的寿命并对设备单独供电[3]。
1.2 课题研究意义
本课题研究意义在于通过收集生活中的振动能量并将其转换成电能来实现汽车传感器的自供电，在该课题的研究过程中，通过查找、阅读相关资料，建立数学模型，进行振动能量的收集，利用COMSOL软件仿真，并通过设计好的能量转换电路将转换好的能量运用于汽车传感器的自供电技术中。[21,22]通过研究振动能量的收集和复合式振动发电机的原理，回收振动能量，一方面能够消弱振动带来的不利影响，另一方面还可以充分利用平时忽略的能源，给车载传感器进行自供电，此举巨大的发展潜力和广阔的发展前景也让更多的学者、专家投入到该项事业当中[4]。
1.3 振动能量收集
1.3.1 压电能量收集现状
压电振动能量收集是通过压电效应将振动能转换成电能，并将所获得的能量储存利用。压电式振动能量收集是将外部振动通过一定的形式转换为压电材料并在某个方向上会产生形变，生成电荷输出电能。与其他振动能量收集的方法相比，压电能量收集不会像其他形式的能量收集一样需要复杂的结构限制装置的体积，也不像其他形式的收集方法一样需要个外部电力能源作为初始的条件，压电方程常用来描述压电材料的压电特性如下：
（1-1）
（1-2）
式（1-1）和式（1-2）中：：电荷的表面密度（）；：应力（）； ：压电常数（），（i=1,2,3；j=1,2,3,4,5,6）。
由式（1-2）可得，压电材料的发电量与压电常数和所受的力成正比，而与材料的大小无关。值得注意的是，并不是任何施加在压电材料上的力都能产生电荷，只有当力改变了压电材料的极化状态，才会有正压电效应的出现。对于大多数压电发电的方法，产生的功率与振动质量的加速度和振动的频率成正比[5]。
图1-1压电梁结构尺寸图
合理的结构参数,可以有效的使压电能量转换效率得以提高。为此,国内外的专家学者通过研究多种不同的压电发电机结构,来获得理想的能量转换效率。他们主要是从两个方面来展开,一是通过改变振动发电装置结构参数来获得比较高的输出电压。而另一方面则是从改变发电装置的结构的角度来降低匹配的频率。从而使得在低频振动环境下可以获得较高的电能[6]。
为了提高压电发电的能量获取速率，Wonjae C等人在2005年对压电发电装置进行了改进，设计出一种盘旋形结构，有效抑制了空气阻尼和结构阻尼。实验证明该结构下系统阻尼下降了77%，振幅增大了4.3倍，在低频环境也有较好的效果[7]。
美国麻省理工大学的研究组在1998年，设计了一种基于人体行走的压电式俘能器。小组成员使用聚偏二氟乙烯(PVDF)试制出一种鞋垫并将它置于鞋内，利用人体行走时脚部弯曲使压电材料两个电极上产生电荷。这项实验表明，在实际应用中，利用压电发电装置来采集能量是一种可行的手段[8]。
1.3.2 复合振动能量收集现状
为了能够收集到更多能量的同时提高系统的相关性能，本文提出并采用了压电和电磁复合的振动能量收集技
1 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 课题研究意义 1
1.3 振动能量收集 1
1.4 能量转换电路的设计 3
1.5 汽车传感器的简介 3
1.6 论文的主要工作 3
2 系统结构与数学模型 4
2.1 系统结构 4
2.2 数学模型 4
3 建模 5
3.1 简述COMSOL软件 5
3.2 悬臂梁建模过程 6
3.3 永磁铁的建模 9
3.4 线圈的建模 11
4. 悬臂梁的有限元仿真分析 11
4.1 频率仿真分析 11
4.2 频域仿真分析 14
4.3 永磁铁的仿真分析 15
5 转换电路 17
5.1 桥式整流电路 18
5.2 桥式整流电路的仿真 19
6 汽车传感器 19
6.1 汽车传感器简介 19
6.2 汽车传感器的发展及应用 20
6.3 传感器的选择分析与应用 24
7 实验结果分析 24
结论 27
致谢 28
参考文献 29
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
.1 桥式整流电路 18
5.2 桥式整流电路的仿真 19
6 汽车传感器 19
6.1 汽车传感器简介 19
6.2 汽车传感器的发展及应用 20
6.3 传感器的选择分析与应用 24
7 实验结果分析 24
结论 27
致谢 28
参考文献 29
附录A 永磁铁尺寸组合一阶特征频率仿真数据表 31
1 绪论
1.1 课题背景
当今社会，随着经济的快速发展，汽车得到了广泛的使用。而随着汽车智能化以及汽车传感器微型化的发展，车载传感器数量也将大幅度增加，从而遍布汽车的各个部位。大量微型传感器节点的供能问题成为亟待解决的难题之一[1,2]。虽然传感器所需的电量能够由电池提供电能也可以通过采用电力线布线提供电能，但它们都有其自身的局限。如利用电池供电可能会给环境带来污染并且在一些情况下不方便更换电池和给电池进行充电，而利用电力线布线供电则需要考虑的问题会更多，类似于铺设线路的长度，密封性等，另外其成本也是相当高。因为在我们生活的环境中振动是无处不在的，比如工厂车间里发动机的振动,生活中人们骑自行车时的振动，人走路时所产生的振动，以及自然中各种各样的振动。这些振动所产生的能量是巨大的，如果能将其收集并加以利用，这将会带来很大的效益。另外收集环境中的振动能既能减少振动能所带来的不利影响，又能利用平时我们所忽略的能源，还能够减轻环境中的污染。所以人们希望可以从汽车的自身振动环境中收集能量并经过转化成为可用的能源对传感器进行供电。这种供电方式的优点是可以延长低功耗设备的寿命并对设备单独供电[3]。
1.2 课题研究意义
本课题研究意义在于通过收集生活中的振动能量并将其转换成电能来实现汽车传感器的自供电，在该课题的研究过程中，通过查找、阅读相关资料，建立数学模型，进行振动能量的收集，利用COMSOL软件仿真，并通过设计好的能量转换电路将转换好的能量运用于汽车传感器的自供电技术中。[21,22]通过研究振动能量的收集和复合式振动发电机的原理，回收振动能量，一方面能够消弱振动带来的不利影响，另一方面还可以充分利用平时忽略的能源，给车载传感器进行自供电，此举巨大的发展潜力和广阔的发展前景也让更多的学者、专家投入到该项事业当中[4]。
1.3 振动能量收集
1.3.1 压电能量收集现状
压电振动能量收集是通过压电效应将振动能转换成电能，并将所获得的能量储存利用。压电式振动能量收集是将外部振动通过一定的形式转换为压电材料并在某个方向上会产生形变，生成电荷输出电能。与其他振动能量收集的方法相比，压电能量收集不会像其他形式的能量收集一样需要复杂的结构限制装置的体积，也不像其他形式的收集方法一样需要个外部电力能源作为初始的条件，压电方程常用来描述压电材料的压电特性如下：
（1-1）
（1-2）
式（1-1）和式（1-2）中：：电荷的表面密度（）；：应力（）； ：压电常数（），（i=1,2,3；j=1,2,3,4,5,6）。
由式（1-2）可得，压电材料的发电量与压电常数和所受的力成正比，而与材料的大小无关。值得注意的是，并不是任何施加在压电材料上的力都能产生电荷，只有当力改变了压电材料的极化状态，才会有正压电效应的出现。对于大多数压电发电的方法，产生的功率与振动质量的加速度和振动的频率成正比[5]。
图1-1压电梁结构尺寸图
合理的结构参数,可以有效的使压电能量转换效率得以提高。为此,国内外的专家学者通过研究多种不同的压电发电机结构,来获得理想的能量转换效率。他们主要是从两个方面来展开,一是通过改变振动发电装置结构参数来获得比较高的输出电压。而另一方面则是从改变发电装置的结构的角度来降低匹配的频率。从而使得在低频振动环境下可以获得较高的电能[6]。
为了提高压电发电的能量获取速率，Wonjae C等人在2005年对压电发电装置进行了改进，设计出一种盘旋形结构，有效抑制了空气阻尼和结构阻尼。实验证明该结构下系统阻尼下降了77%，振幅增大了4.3倍，在低频环境也有较好的效果[7]。
美国麻省理工大学的研究组在1998年，设计了一种基于人体行走的压电式俘能器。小组成员使用聚偏二氟乙烯(PVDF)试制出一种鞋垫并将它置于鞋内，利用人体行走时脚部弯曲使压电材料两个电极上产生电荷。这项实验表明，在实际应用中，利用压电发电装置来采集能量是一种可行的手段[8]。
1.3.2 复合振动能量收集现状
为了能够收集到更多能量的同时提高系统的相关性能，本文提出并采用了压电和电磁复合的振动能量收集技
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