振动发电在汽车传感器自供电技术中的应用
随着科技日益发展更新，传统的化学电池已经不能满足生产生活的要求。传统的化学电池有很多缺点，比如需要定期更换、对环境污染影响大、有限的寿命等。目前，急需解决的问题就是怎么样才能更好地向MEMS 系统和便携式微电子产品供能。基于这个问题，我认为可以采用振动能量收集器对其供能。当前，振动能量收集器被广泛研究，它是重要的微能源器件，已经被应用于很多的微机电系统设备的供电。振动能量收集器具有体积小、寿命长、高能量密度的特点。振动能量收集技术可分为磁致伸缩方式、静电方式、电磁感应方式、压电方式这四种类型。
在查阅并综合分析大量文献的基础上，本文首先介绍了振动能量收集方式的四种类型并比较总结了这四种振动能量收集方式的特点，简述了压电方式振动能量收集技术、电磁感应方式振动能量收集技术及电磁和压电混合式振动能量收集技术的国内外发展情况。本文针对压电式振动能量收集技术进行汽车振动能量收集装置设计。首先确立了汽车振动能量收集装置结构，建立了仿真模型，进行仿真分析。本文的重点是对汽车振动能量装置的结构参数进行分析，通过采集汽车振动参数，再针对汽车振动参数进行振动能量收集装置结构优化。最终优化后振动能量收集装置进行性能分析。
关键词 振动能量收集，压电式，汽车，可行性分析
目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景概述 1
1.2 振动能量收集方式 2
1.3 压电方式振动能量收集技术的发展 5
1.4 电磁感应方式振动能量收集技术的发展 6
1.5 电磁和压电混合式振动能量收集技术的发展 7
1.6 汽车传感器 8
1.7 本文主要研究内容 8
2 汽车振动能量收集装置的仿真 9
2.1 汽车振动能量收集装置 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
结构 9
2.2 仿真模型的建立 10
2.3 初步设计的单片悬臂梁模型的特征频率分析 12
2.4 本章小结 14
3 汽车振动能量收集装置结构参数分析 14
3.1 质量块宽对结构特征频率的影响 14
3.2 质量块深对结构特征频率的影响 15
3.3 质量块高对结构特征频率的影响 17
3.4 基板厚度对结构特征频率的影响 18
3.5 基板长度对结构特征频率的影响 20
3.6 基板及压电片宽度对结构特征频率的影响 21
3.7 本章小结 23
4 汽车振动能量收集装置参数设定和性能分析 23
4.1 汽车振动参数采集 23
4.2 可行结构设计 24
4.3 频率响应仿真分析 25
4.4 时域仿真分析 26
4.5 本章小结 28
结 论 29
致 谢 30
参考文献 31
1 绪论
1.1 研究背景概述
当前，我们可以利用的能量有很多，比如太阳能、风能、电磁波能量、温差能量、流体动能和机械振动能量。能量采集是指收集环境中未利用的能源(光、热、风、机械振动等)并将其转换成可用电能的一种技术[1]。
1.1.1 太阳能收集技术
太阳光会产生辐射，这种辐射是一种能量，即为太阳能。在人类的生产生活中需要很多能量，而这些能量大部分都来自于太阳。太阳能收集技术的能量转换是通过光伏效应和光热效应从而转化能量。
1.1.2 风能收集技术
风能属于动能，它是由地球表面大量空气流动而产生的。风能是一种可再生能源。在大气运动时会产生动能，把这些动能转化为其他的能量形式，这就是风能的主要利用形式。风力可以发电，它主要是利用风力和增速机，风力使得风车的叶片能够转动，增速机则是使风车叶片的转速提升，通过这俩步骤最终使发电机发电。首先把风具有的动能转化为机械动能，再把机械能转化为电力动能，这种能量转化方式就是风力发电所应用的。风能收集技术是一种新能源形式，它很清洁。
1.1.3 电磁波能量收集技术
电磁波是一种电磁场，它是由彼此垂直，而且是相同方向的电场和磁场衍生从而发射的一种震荡的粒子波。电磁波具有波粒二象性。电磁波的传播形式是波动的。电磁波也属于能量。电磁波发电的基本原理是电磁感应技术，电磁波和电能可以相互转换。
1.1.4 温差能量收集技术
热物体和冷物体温度的差就是温差。温差能够使热量传递。温差热能发电技术利用了塞贝克效应，通过这个效应进行能量转化，将热能转化为电能。温差发电具有广阔的前景。温差能量收集技术环保绿色，是新型能源收集技术。现在广泛投入应用的有两种，一种是海洋温差发电技术，另一种是太阳能温差发电技术。
1.1.5 流体动能收集技术
流体包含液体和气体。流体是由分子组成的，这些分子不停地作热运动，没有固定的平衡位置。流体动能充分实现了天然水资源的利用。水流能是通过将水的动能和重力势能转化为电能来实现的。
1.1.6 机械振动能量收集技术
因为机械振动能量比太阳能、热能更为稳定持续，并且有更高的能量密度，所以近几年逐渐兴起研究振动能量收集技术。微型振动能量采集器是通过把自然界中广泛存在的振动能转变为电能，从而实现全天候地为各种低功耗电子器件供电的供能装置，一般包括能量采集与能量储存两大模块[1]。微机械振动能量采集器是可自我维持的微电源，特别适用于物联网各节点和生物微纳机电器件电源供给，具有广阔的发展前景。
1.2 振动能量收集方式
目前，国内外研究者提出了不同的振动能量收集技术，主要包括：磁致伸缩方式、静电方式、电磁感应方式、压电方式[2~3]。
1.2.1 磁致伸缩方式
磁致伸缩效应的逆效应(Villari效应)是指当铁磁性材料受到机械力的作用时，它的内部产生应变，导致导磁率发生变化，当磁致伸缩材料受振动变形后，缠绕在上面的线圈产生出电流[4]。通过磁致伸缩的这种效应，可以进行能量的转化，从而把振动能量转化为电能，这就是磁致伸缩式能量收集技术的实现方式。
在磁致伸缩式振动能量收集技术中，存在一种材料十分重要，它就是磁致伸缩材料。在磁致伸缩能量收集装置中，磁致伸缩材料也同样重要，是该装置的组成核心。传统磁致伸缩材料由于其应变量小（10-6~10-5），居里温度低，很难在实际中应用[5]。现在普遍使用的转换材料是超磁致伸缩材料，该材料有很多优点，比如室温磁致伸缩效应大，机械响应迅速，能量密度高。其中，磁致伸缩式振动能量收集装置中的典型材料为Terfenol-D，这种Terfenol-D合金材料具有很高的居里温度，磁致伸缩性能优异[6]。
相对压电材料，超磁致伸缩材料不存在去极化引起的失效问题，同时不存在疲劳、老化问题，因而工作更可靠；超磁致伸缩材料的机电耦合系数可达0.75(压电陶瓷PZT只有0.3~0.4)，能量转换效率更高；它们的磁致伸缩应变量在室温下大于0.15%，因而超磁致伸缩材料比压电材料更灵敏，可在较小振幅下可产生更高的电压[7]。
1.2.2 静电方式
静电式能量收集技术主要利用了静电效应，通过这种效应可以实现能量的转化，从而把机械振动能转化为电能。静电式能量收集器一般需要被引导，即它在开始产生电能之前，需要一个外部电源在可变电容之间产生原始电压差，当可变电容的电容值由于振动而发生改变时，机械振动能被转化为电能[6]。根据改变电容方式的不同将静电式能量采集模块分为变间距式和变面积式两种[8]。
图1-1 压电发电结构
2005年，Wonjae Choi等人为了使压电发电的能量获取效率提高，改进了Jeon的压电发电机的几何形状，设计了一种盘旋形的结构，有效的抑制了结构阻尼，空气阻尼。实验证明:该结构使阻尼系数下降了77%，振幅加大了4.3倍，在PZT层中的应力比Jeon等人研制的大10.2倍，而能量密度是原结构的1850%，在低频下也有良好的工作效果[15]。
1 绪论 1
1.1 研究背景概述 1
1.2 振动能量收集方式 2
1.3 压电方式振动能量收集技术的发展 5
1.4 电磁感应方式振动能量收集技术的发展 6
1.5 电磁和压电混合式振动能量收集技术的发展 7
1.6 汽车传感器 8
1.7 本文主要研究内容 8
2 汽车振动能量收集装置的仿真 9
2.1 汽车振动能量收集装置 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
结构 9
2.2 仿真模型的建立 10
2.3 初步设计的单片悬臂梁模型的特征频率分析 12
2.4 本章小结 14
3 汽车振动能量收集装置结构参数分析 14
3.1 质量块宽对结构特征频率的影响 14
3.2 质量块深对结构特征频率的影响 15
3.3 质量块高对结构特征频率的影响 17
3.4 基板厚度对结构特征频率的影响 18
3.5 基板长度对结构特征频率的影响 20
3.6 基板及压电片宽度对结构特征频率的影响 21
3.7 本章小结 23
4 汽车振动能量收集装置参数设定和性能分析 23
4.1 汽车振动参数采集 23
4.2 可行结构设计 24
4.3 频率响应仿真分析 25
4.4 时域仿真分析 26
4.5 本章小结 28
结 论 29
致 谢 30
参考文献 31
1 绪论
1.1 研究背景概述
当前，我们可以利用的能量有很多，比如太阳能、风能、电磁波能量、温差能量、流体动能和机械振动能量。能量采集是指收集环境中未利用的能源(光、热、风、机械振动等)并将其转换成可用电能的一种技术[1]。
1.1.1 太阳能收集技术
太阳光会产生辐射，这种辐射是一种能量，即为太阳能。在人类的生产生活中需要很多能量，而这些能量大部分都来自于太阳。太阳能收集技术的能量转换是通过光伏效应和光热效应从而转化能量。
1.1.2 风能收集技术
风能属于动能，它是由地球表面大量空气流动而产生的。风能是一种可再生能源。在大气运动时会产生动能，把这些动能转化为其他的能量形式，这就是风能的主要利用形式。风力可以发电，它主要是利用风力和增速机，风力使得风车的叶片能够转动，增速机则是使风车叶片的转速提升，通过这俩步骤最终使发电机发电。首先把风具有的动能转化为机械动能，再把机械能转化为电力动能，这种能量转化方式就是风力发电所应用的。风能收集技术是一种新能源形式，它很清洁。
1.1.3 电磁波能量收集技术
电磁波是一种电磁场，它是由彼此垂直，而且是相同方向的电场和磁场衍生从而发射的一种震荡的粒子波。电磁波具有波粒二象性。电磁波的传播形式是波动的。电磁波也属于能量。电磁波发电的基本原理是电磁感应技术，电磁波和电能可以相互转换。
1.1.4 温差能量收集技术
热物体和冷物体温度的差就是温差。温差能够使热量传递。温差热能发电技术利用了塞贝克效应，通过这个效应进行能量转化，将热能转化为电能。温差发电具有广阔的前景。温差能量收集技术环保绿色，是新型能源收集技术。现在广泛投入应用的有两种，一种是海洋温差发电技术，另一种是太阳能温差发电技术。
1.1.5 流体动能收集技术
流体包含液体和气体。流体是由分子组成的，这些分子不停地作热运动，没有固定的平衡位置。流体动能充分实现了天然水资源的利用。水流能是通过将水的动能和重力势能转化为电能来实现的。
1.1.6 机械振动能量收集技术
因为机械振动能量比太阳能、热能更为稳定持续，并且有更高的能量密度，所以近几年逐渐兴起研究振动能量收集技术。微型振动能量采集器是通过把自然界中广泛存在的振动能转变为电能，从而实现全天候地为各种低功耗电子器件供电的供能装置，一般包括能量采集与能量储存两大模块[1]。微机械振动能量采集器是可自我维持的微电源，特别适用于物联网各节点和生物微纳机电器件电源供给，具有广阔的发展前景。
1.2 振动能量收集方式
目前，国内外研究者提出了不同的振动能量收集技术，主要包括：磁致伸缩方式、静电方式、电磁感应方式、压电方式[2~3]。
1.2.1 磁致伸缩方式
磁致伸缩效应的逆效应(Villari效应)是指当铁磁性材料受到机械力的作用时，它的内部产生应变，导致导磁率发生变化，当磁致伸缩材料受振动变形后，缠绕在上面的线圈产生出电流[4]。通过磁致伸缩的这种效应，可以进行能量的转化，从而把振动能量转化为电能，这就是磁致伸缩式能量收集技术的实现方式。
在磁致伸缩式振动能量收集技术中，存在一种材料十分重要，它就是磁致伸缩材料。在磁致伸缩能量收集装置中，磁致伸缩材料也同样重要，是该装置的组成核心。传统磁致伸缩材料由于其应变量小（10-6~10-5），居里温度低，很难在实际中应用[5]。现在普遍使用的转换材料是超磁致伸缩材料，该材料有很多优点，比如室温磁致伸缩效应大，机械响应迅速，能量密度高。其中，磁致伸缩式振动能量收集装置中的典型材料为Terfenol-D，这种Terfenol-D合金材料具有很高的居里温度，磁致伸缩性能优异[6]。
相对压电材料，超磁致伸缩材料不存在去极化引起的失效问题，同时不存在疲劳、老化问题，因而工作更可靠；超磁致伸缩材料的机电耦合系数可达0.75(压电陶瓷PZT只有0.3~0.4)，能量转换效率更高；它们的磁致伸缩应变量在室温下大于0.15%，因而超磁致伸缩材料比压电材料更灵敏，可在较小振幅下可产生更高的电压[7]。
1.2.2 静电方式
静电式能量收集技术主要利用了静电效应，通过这种效应可以实现能量的转化，从而把机械振动能转化为电能。静电式能量收集器一般需要被引导，即它在开始产生电能之前，需要一个外部电源在可变电容之间产生原始电压差，当可变电容的电容值由于振动而发生改变时，机械振动能被转化为电能[6]。根据改变电容方式的不同将静电式能量采集模块分为变间距式和变面积式两种[8]。
图1-1 压电发电结构
2005年，Wonjae Choi等人为了使压电发电的能量获取效率提高，改进了Jeon的压电发电机的几何形状，设计了一种盘旋形的结构，有效的抑制了结构阻尼，空气阻尼。实验证明:该结构使阻尼系数下降了77%，振幅加大了4.3倍，在PZT层中的应力比Jeon等人研制的大10.2倍，而能量密度是原结构的1850%，在低频下也有良好的工作效果[15]。
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