关于内共振压电能量采集器
压电式传感器习题
第6章 压电式传感器 1、为什么压电式传感器不能用于静态测量，只能用于动态测量中？而且是频率越高越好？ 2、什么是压电效应？试比较石英晶体和压电陶瓷的压电效应 3、设计压电式传感器检测电路的基本考虑点是什么，为什么? 4、有一压电晶体，其面积为20mm 2，厚度为10mm ，当受到压力P=10MPa 作用时，求产生的电荷量及输出电压： (1)零度X 切的纵向石英晶体； (2)利用纵向效应的BaTiO 3。 解：由题意知，压电晶体受力为 F=PS=10×106×20×10-6=200(N) （1）0°X 切割石英晶体，εr =4.5，d 11=2.31×10-12C/N 等效电容 36120101010205.41085.8---?????==d S C r a εε =7.97×10-14 (F) 受力F 产生电荷 Q=d 11F=2.31×10-12×200=462×10-2(C)=462pC 输出电压 ()V C Q U a a 3141210796.51097.710462?=??==-- （2）利用纵向效应的BaTiO 3，εr =1900，d 33=191×10-12C/N 等效电容 361201010102019001085.8---?????==d S C r a εε =33.6×10-12(F)=33.6(pF) 受力F 产生电荷 Q=d 33F=191×10-12×200=38200×10-12 (C)=3.82×10-8C 输出电压 ()V C Q U a a 312810137.1106.331082.3?=??==-- 5、某压电晶体的电容为1000pF ，k q =2.5C/cm ，电缆电容C C =3000pF ，示波器的输入阻
Linear-LTC3588-1压电能量收集电源方案
Linear LTC3588-1压电能量收集电源方案 关键字：电源管理,能量收集器,DC/DC转换器 Linear 公司的LTC3588-1是压电能量收集电源,集成了低噪音全波整流和高效降压转换器,组成完整的能量收集解决方案,最适合高输出阻抗的能量源如压电传感器.输入电压2.7V-20V,输出电流高达 100mA,可选输出电压1.8V, 2.5V, 3.3V和3.6V,可用于压电能量收集,电-机械能量收集,无线HVAC传感器,轮胎压里传感器,遥控光开关,毫微瓦降压稳压器.本文介绍LTC3588-1主要特性,方框图以及多种应用电路图,包括100mA压电能量收集电源电路图, 最小尺寸的1.8V低压输入压电能量收集电源电路图, 电场能量和热电能量收集器电路图等. LTC3588-1: Piezoelectric Energy Harvesting Power Supply The LTC.3588-1 integrates a low-loss full-wave bridge rectifier with a high efficiency buck converter to form a complete energy harvesting solution optimized for high output impedance energy sources such as piezoelectric transducers. An ultralow quiescent current undervoltage lockout (UVLO) mode with a wide hysteresis window allows charge to accumulate on an input capacitor until the buck converter can effi ciently transfer a portion of the stored charge to the output. In regulation, the LTC3588-1 enters a sleep state in which both input and output quiescent currents are minimal. The buck converter turns on and off as needed to maintain regulation. Four output voltages, 1.8V, 2.5V, 3.3V and 3.6V, are pin selectable with up to 100mA of continuous output current; however, the output capacitor may be sized to service a higher output current burst. An input protective shunt set at 20V enables greater energy storage for a given amount of input capacitance. LTC3588-1主要特性: 950nA Input Quiescent Current (Output in Regulation – No Load) 450nA Input Quiescent Current in UVLO 2.7V to 20V Input Operating Range Integrated Low-Loss Full-Wave Bridge Rectifier Up to 100mA of Output Current
一种压电能量收集装置设计
一种压电能量收集装置的设计 研究现状： 压电能量收集模式将压电材料铺设于道路路而结构中，利用压电效应将道路上交通荷载产生的部分机械能转化为电能，继而将产生的电能收集、处理、利用。自从1880年代居里兄弟发现压电效应至今，经过100多年的研究积淀，针对压电材料性能及应用研究己日趋成熟。由于其优良的能量转换能力，压电能量收集系统受到了全球科研机构及企业的普遍关注。 2008年以色列的Innowattech公司与海法理工学院共同研发了应用于道路工程的压电能量收集系统(Innowattech Piezo Electric Venerator，IPEV)。图1,2分别为IPEV的概念模型和现场试验照片。采用该能量收集系统，交通量为600 }eh " h 1的一条双车道道路上能产生0. 4 MW " km 以上的电量，可支持400 ^} 600户家庭的日常用电;且随着交通量、车载的增加，收集的电能也随之增加;IPEV的使用不会增加车辆单位油耗;其使用寿命约为30年。然而，该技术尚处于对外保密阶段，不能给中国研究者提供直接参考。 Lee等口6〕研究了路而动态荷载作用下基于压电效应的能量转化影响因素及其之间的关系;Ye等o;〕提出了一种基于遗传算法的压电换能器自动优化方法，通过该方法设计的换能器可以根据实时路而振动数据自动调节内部频率以收集更多的能量;曹秉刚等mo研发了一种利用公路系统振动能量压电发电的方法和系统;林伟等口月设计了一种应用于沥青混凝土路而的堆叠式压电自发电能量采集与照明装置;Zhao等基于有限元对应用于沥青路而进行能量收集的钱式压电能量收集器参数进行了分析优化，在20 Hz, 0. 7 MPa交通荷载的作用下，按照其设计的钱式换能器，计算机模拟单个钱式压电能量收集器可产出功率为1.2mW的电能;Ky-missis在麻省理工学院将压电晶体置于鞋内，研究出一种发电鞋。测定发现压电晶体产生的峰值电能为80mW ; Rastega等开发了一种可应用于多种平台的针
基于压电材料的振动能量收集试验研究
第27卷第3期2010年6月 现代电力 M oder n Electr ic P ower Vol127No13 June2010 文章编号:100722322(2010)0320070205文献标识码:A 基于压电材料的振动能量收集试验研究 任思源,何青 (华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京102206) Experimental S tudy on Vibration Energy Collection Based on Piezoelectric Material Ren Siyuan,H e Q ing (School of Energy,P ower and Mechanical Engineering,North China Elect ric Power Univer sity,Beijing102206,China) 摘要:针对设备状态监测与故障诊断实时监测的要求,以应用于无线传感器网络节点供电为目的,根据材料的压电特性及其等效电模型,设计出将振动能转化成电能的能量收集的试验系统。该试验系统由压电片、振动台、整流转换、充电电路以及可充电锂离子电池等组成。以整流电路、开关控制部分,结合超级电容,设计出基于压电材料的振动能综合转换收集试验方案,制作出小型设备,通过试验验证其应用的可行性,记录并分析试验数据。试验表明,振动能量能够被有效地转化为电能并先储存于超级电容中,后由开关系统控制充电芯片实现断续充电,将电能储存至锂电池中。 关键词:压电材料;振动;能量收集;超级电容;锂电池 Abstract:Based on the piezoelectric characteristics and e2 quivalent electrical model of the material,an experimental system has been designed to convert the energy of vibration into the elect ric power.The experimental system takes the real time requirement of condition monitoring and faults di2 agnosis as background and aims at the application of the power supply for wireless sensor network nodes.It consists of piezoelectric ceramics,vibration shaker,rectifier con2 verter,charge circuit,Lithium battery,etc.,the experi2 mental scheme is accomplished to convert and collect the vi2 brat ion energy of the piezoelectric material with synthesizing rectifier,switching part and super capacitor.A small device has been analyzed and verified with experiments and the re2 corded data.The experiment shows that vibration energy can be converted to electrical energy and then electrical en2 ergy is stored in Super Capacitor,intermittently charged through switching part into charge chip,and stored in a lith2 ium battery. Key w ords:piezoelectric;vibration;energy harvesting; Super Capacitor;Lithium Battery 0引言 随着无线设备的广泛应用,其供电问题受到人们的广泛关注。在许多使用电池供电的场合,电池的频繁更换不仅会增加使用费用,而且会造成环境污染,特别在一些人类无法到达、无法接触的特殊场合,其电池更换更难。另外在设备监测与故障诊断的应用中,电池电量用完且又无法及时更换会造成严重的后果[1]。为解决这些问题,人们开始考虑把周围环境中的能量,如化学能、光能及机械振动能等,转换成电能收集并存储起来。 在工矿、电力、石油等行业内部,大型机械设备的应用极为广泛。与此同时,随着联合能量收集技术的发展,大型机械设备的振动能量收集利用也随之广泛发展起来。 研究人员目前已经开发出从振动中收集能量的装置。这些装置可采用电磁式、静电式或压电式将机械运动转换为电能。这3种机电转换方式的能量贮存密度比较如表1所示。而且,现在一些公司开始生产振动能量转换器,每一种转换器各有优缺点。一般来说,静电式转换器需要保持一很小的空气间隙,且功率密度较低,电磁转换器常常输出电压低,而压电式转换器却要依赖于较脆的陶瓷[2]。依据理论、仿真和实验,对大部分应用来说,3种转换器中压电式转换器是最有潜力的。 表1能量贮存密度比较 类型实际最大值/(mJ#cm-3)理论最大值/(mJ#cm-3) 压电式3514335 静电式444 电磁式2418400 本文所介绍的是一种基于压电片的压电振动能量收集技术试验,该能量收集技术试验是由振动台作为动力源,压电片产生电流可以存放在超级电容
压电式传感器的发展与应用
HEFEI UNIVERSITY 自动检测技术报告 题目压电式传感器的应用与发展 系别 ***级自动化 班级 **班 姓名 ********************** 指导老师***** 完成时间 2011-11-28
前言：压电式传感器是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。本文重点介绍压电式传感器的工作原理，在航空发动机中的应用及发展趋势。 关键字：传感器压电效应测振 正文：压电式传感器的发展及应用压电式传感器是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变 时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量 与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电 效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起 晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。用逆压电效 应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件 的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、 厚度切变型、平面切变型5种基本形式（见图）。压电 晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。 压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。 压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。 压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。
压电式传感器测振动实验.
实验二十一压电式传感器测振动实验 一、实验目的：了解压电传感器的原理和测量振动的方法。 二、基本原理：压电式传感器是一和典型的发电型传感器，其传感元件是压电材料，它以压电材料的压电效应为转换机理实现力到电量的转换。压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。 1、压电效应： 具有压电效应的材料称为压电材料，常见的压电材料有两类压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；人工多晶体压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等。 压电材料受到外力作用时，在发生变形的同时内部产生极化现象，它表面会产生符号相反的电荷。当外力去掉时，又重新回复到原不带电状态，当作用力的方向改变后电荷的极性也随之改变，如图21—1 (a) 、(b) 、(c)所示。这种现象称为压电效应。 (a) (b) (c) 图21—1 压电效应 2、压电晶片及其等效电路 多晶体压电陶瓷的灵敏度比压电单晶体要高很多，压电传感器的压电元件是在两个工作面上蒸镀有金属膜的压电晶片，金属膜构成两个电极，如图21—2(a)所示。当压电晶片受到力的作用时，便有电荷聚集在两极上，一面为正电荷，一面为等量的负电荷。这种情况和电容器十分相似，所不同的是晶片表面上的电荷会随着时间的推移逐渐漏掉，因为压电晶片材料的绝缘电阻(也称漏电阻)虽然很大，但毕竟不是无穷大，从信号变换角度来看，压电元件相当于一个电荷发生器。从结构上看，它又是一个电容器。因此通常将压电元件等效为一个电荷源与电容相并联的电路如21—2(b)所示。其中e a=Q/C a。式中，e a为压电晶片受力后所呈现的电压，也称为极板上的开路电压；Q为压电晶片表面上的电荷；C a为压电晶片的电容。 实际的压电传感器中，往往用两片或两片以上的压电晶片进行并联或串联。压电晶片并联时如图21—2(c)所示，两晶片正极集中在中间极板上，负电极在两侧的电极上，因而电容
振动信号检测系统的设计1
信号检测综合训练 说明书 题目：振动信号检测系统设计 学院：电气工程与信息工程学院 班级：电子（2）班 姓名: 钱鹏鹏 学号：11260224 指导老师：缑新科 2014.12.07
摘要 机械在运动时，由于旋转体的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，总是伴随着各种振动。机械振动在大多情况下是有害的，振动往往会降低机器性能，破坏其正常工作，缩短使用寿命，甚至导致事故。机械振动还伴随着同频率的噪声，恶化环境，危害健康。另一方面，振动也被利用来完成有用工作，如运输、夯实、清洗、粉碎、脱水等。这时必须正确选择振动参数，充分发挥振动机械的性能。在现代企业管理制度中，除了对各种机械设备提出低振动和低噪声要求外，还需随时对机器的运行状况进行监测、分析、诊断，对工作环境进行控制。为了提高机械结构的抗振性能，有必要进行机械机构振动分析和振动设计，这些都离不开振动测试。 本文在此基础上设计了一种专用的振动信号检测系统，具有功耗低、体积小、精度高等优点。 信号检测的内容要求： 通过MCS-51系列单片机设计振动信号检测系统。要求如下： 1 振动信号的特点，选择合适的传感器，并设计相应的检测电路； 2 将设计完成的检测电路，通过软件防真验证； 3 主要设计指标：可测最大加速度：-5m/s~+5m/s;可测最大速度：-0.16m/s~+0.16m/s；可测最大位移：-5mm~+5mm；通频带：0.05Hz~35Hz；转换精度：8bit；采样频率：128Hz 4 利用LCD显示振动信号，有必要的键盘控制。
总体设计方案介绍： 本系统由发射电路和接收电路组成。发射电路主要由加速度传感器构成。接收电路由单片机最小系统和外部串口以及显示部分模块三部分组成。。 硬件电路设计： （1）使用MMA8452加速度传感器和STC89C52单片机来实现。 一.设计目的:了解加速度传感器的工作机理，以及单片机的各种性能； 二.设计器材:电源、proteus7.7软件、89C52，MMA8452加速度传感器，导线若干。 三．设计方案介：该系统目的是便于对一些物理量进行监视、控制。本设计以加速度传感器显示出加速度信号即振动信号，再通过单片机将信号从串口接入电脑显示出来，即完成振动信号的检测功能。 （2）振动传感器的分类 1、相对式电动传感器 电动式传感器基于电磁感应原理，即当运动的导体在固定的磁场里切割磁力线时，导体两端就感生出电动势，因此利用这一原理而生产的传感器称为电动式传感器。 相对式电动传感器从机械接收原理来说，是一个位移传感器，由于在机电变换原理中应用的是电磁感应电律，其产生的电动势同被测振动速度成正比，所以它实际上是一个速度传感器。 2、电涡流式传感器 电涡流传感器是一种相对式非接触式传感器，它是通过传感器端部与被测物体之间的距离变化来测量物体的振动位移或幅值的。电涡流传感器具有频率范围宽（0～10 kHZ），线性工作范围大、灵敏度高以及非接触式测量等优点，主要应用于静位移的测量、振动位移的测量、旋转机械中监测转轴的振动测量。 3、电感式传感器 依据传感器的相对式机械接收原理，电感式传感器能把被测的机械振动参数的变化转换成为电参量信号的变化。因此，电感传感器有二种形式，一是可变间隙，二是可变导磁面积。 4、电容式传感器 电容式传感器一般分为两种类型。即可变间隙式和可变公共面积式。可变间隙式可以测量直线振动的位移。可变面积式可以测量扭转振动的角位移。 5、惯性式电动传感器 惯性式电动传感器由固定部分、可动部分以及支承弹簧部分所组成。为了使传感器工作在位移传感器状态，其可动部分的质量应该足够的大，而支承弹簧的刚度应该足够的小，也就是让传感器具有足够低的固有频率。根据电磁感应定律，感应电动势为：u=Blx&r 。式中B为磁通密度，l为线圈在磁场内的有效长度，r x&为线圈在磁场中的相对速度。 从传感器的结构上来说，惯性式电动传感器是一个位移传感器。然而由于其输出的电信号是由电磁感应产生，根据电磁感应电律，当线圈在磁场中作相对运动
实验 压电式传感器实验
实验压电式传感器实验 实验项目编码： 实验项目时数：2 实验项目类型：综合性（）设计性（）验证性（√） 一、实验目的 本实验的主要目的是了压电式传感器的结构特点；熟悉压电传感器的工作原理；掌握压电传感器进行振动和加速度测量的方法。 二、实验内容及基本原理 （一）实验内容 1．压电传感器进行振动和加速度测量的方法 （二）实验原理 压电式传感器是一和典型的发电型传感器，其传感元件是压电材料，它以压电材料的压电效应为转换机理实现力到电量的转换。压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。 1．压电效应： 具有压电效应的材料称为压电材料，常见的压电材料有两类压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；人工多晶体压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等。 压电材料受到外力作用时，在发生变形的同时内部产生极化现象，它表面会产生符号相反的电荷。当外力去掉时，又重新回复到原不带电状态，当作用力的方向改变后电荷的极性也随之改变，如图1 (a) 、(b) 、(c)所示。这种现象称为压电效应。 (a) (b) (c) 图1 压电效应 2．压电晶片及其等效电路 多晶体压电陶瓷的灵敏度比压电单晶体要高很多，压电传感器的压电元件是在两个工作面上蒸镀有金属膜的压电晶片，金属膜构成两个电极，如图2(a)所示。当压电晶片受到力的作用时，便有电荷聚集在两极上，一面为正电荷，一面为等量的负电荷。这种情况和电容器十分相似，所不同的是晶片表面上的电荷会随着时间的推移逐渐漏掉，因为压电晶片材料的绝缘电阻(也称漏电阻)虽然很大，但毕竟不是无穷大，从信号变换角度来看，压电元件相当于一个电荷发生器。从结构上看，它又是一个电容器。因此通常将压电元件等效为一个电荷源与电容相并联的电路如2(b)所示。其中ea=Q/Ca 。式中，ea为压电晶片受力后所呈现的
压电式传感器实验报告
压电式传感器测振动实验 一、实验目的：了解压电传感器的测量振动的原理和方法。 二、基本原理：压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。（观察实验用压电加 速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。三、需用器件与单元：振动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、压电式传感 器实验模板。双踪示波器。 四、实验步骤： 1、压电传感器装在振动台面上。 2、将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的激励源插孔。 3、将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端，与传感器外壳相连的接线端接地，另一端接R1。将压电传感器实验模板电路输出端V o1，接R6。将压电传感器实验模板电路输出端V02，接入低通滤波器输入端Vi，低通滤波器输出V0与示波器相连。
3、合上主控箱电源开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，观察示波器 波形。 4、改变低频振荡器的频率，观察输出波形变化。
光纤式传感器测量振动实验 一、实训目的：了解光纤传感器动态位移性能。 二、实训仪器：光纤位移传感器、光纤位移传感器实验模块、振动源、低频振荡器、通信接口（含上位机软件）。 三、相关原理：利用光纤位移传感器的位移特性和其较高的频率响应，用合适的测量电路即可测量振动。 四、实训内容与操作步骤 1、光纤位移传感器安装如图所示，光纤探头对准振动平台的反射面，并避开振动平台中间孔。 2、根据“光纤传感器位移特性试验”的结果，找出线性段的中点，通过调节安装支架高度将光纤探头与振动台台面的距离调整在线性段中点（大致目测）。 3、参考“光纤传感器位移特性试验”的实验连线，Vo1与低通滤波器中的Vi相接，低通输出Vo接到示波器。 4、将低频振荡器的幅度输出旋转到零，低频信号输入到振动模块中的低频输入。
振动能量收集装置的研究
“现代传感与检测技术”课程学习汇报振动能量收集装置的研究 目录
第一章:电磁式振动能量收集装置 振动能量收集装置 随着无线和微机电系统技术日新月异的最新进展，便携式电子产品和无线传感器的需求正在迅速增长，从而人们对长寿命电源的需求也越来越强烈。对于传统意义上的电池，当电池没电时无线传感器就必须更换电池，但是这一点在有些情况下会变得非常困难。为了解决这个问题，人们对各种能量采集装置及自供电系统进行的研究在迅速增加。 压电材料是一种独特的智能材料，在受到环境振动激励时会发生形变，压电材料的晶格发生形变，正负电荷的中心产生偏移，使得晶体表面产生电压，就可以由材料的形变中直接产生电能。 太阳能，磁能和热能等也都可以用于发电，但是压电材料与它们相比，有以下几个优点：首先压电材料可以直接从机械能转换成电能，具有简易性；其次，与静电效应的转换和电磁感应转换相比，具有更大的能量密度；最后，压电材料可以制作到很小，因此更具有集成性。 1880年，居里兄弟皮尔(P·Curie)与杰克斯(J·Curie)发现了压电效应(Piezoelectric Effect）。他们发现，如果对某些晶体材料施加应力，使材料产生应变，可以使材料产生极化现象且极化程度与应力大小成正比。 1996年，Williams和Yates等人提出了一种压电材料的发电装置，它可以吸收振动环境的机械能产生电力。 之后，人们对压电材料各方面进行了比较仔细的研究，设想出了多种压电能量收集装置。 电磁式振动能量收集装置 电磁式能量收集技术是利用法拉第电磁感应定律将自然界中大量存在的机械振动能转换为电能的能量收集技术。由法拉第电磁感应定律知，导体线圈回路面积内的磁通量中发生变化时，回路中就会产生感应电动势，并引起感应电流从
压电式传感器实验报告
压电式传感器测振动实验 一、实验目的:了解压电传感器的测量振动的原理与方法。 二、基本原理:压电式传感器由惯性质量块与受压的压电片等组成。(观察实验用压电加速 度计结构)工作时传感器感受与试件相同频率的振动,质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上,由于压电效应,压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。 三、需用器件与单元:振动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、压电式传感 器实验模板。双踪示波器。 四、实验步骤: 1、压电传感器装在振动台面上。 2、将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的激励源插孔。 3、将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端,与传感器外壳相连的接线端接地,另一端接R1。将压电传感器实验模板电路输出端V o1,接R6。将压电传感器实验模板电路输出端V02,接入低通滤波器输入端Vi,低通滤波器输出V0与示波器相连。
3、合上主控箱电源开关,调节低频振荡器的频率与幅度旋钮使振动台振动,观察示波器波 形。 4、改变低频振荡器的频率,观察输出波形变化。
光纤式传感器测量振动实验 一、实训目的: 了解光纤传感器动态位移性能。 二、实训仪器: 光纤位移传感器、光纤位移传感器实验模块、振动源、低频振荡器、通信接口(含上位机软件) 。 三、相关原理:利用光纤位移传感器的位移特性与其较高的频率响应,用合适的测量电路即可测量振动。 四、实训内容与操作步骤 1、光纤位移传感器安装如图所示,光纤探头对准振动平台的反射面,并避开振动平台中间孔。 2、根据“光纤传感器位移特性试验”的结果,找出线性段的中点,通过调节安装支架高度将光纤探头与振动台台面的距离调整在线性段中点(大致目测)。 3、参考“光纤传感器位移特性试验”的实验连线,Vo1与低通滤波器中的Vi相接,低通输出Vo接到示波器。 4、将低频振荡器的幅度输出旋转到零,低频信号输入到振动模块中的低频输入。
振动传感器
振动传感器 振动传感器分为压电式，磁电式，微型振动传感器。 常用振动传感器有以下几种： 1.压电片谐振式：使用压电片接收振动信号，压电片的谐振频率较高，为了降低谐振频率，使用加大压电片振动体的质量来实现，并使用弹簧球代替附加物，降低两谐振频率，增强了振动效果。其优点是灵敏度较高，结构简单。但是需要信号放大后送到TTL电路或者单片机电路中，不过使用一个三极管单级放大即可 2.机械振动式：传统的振动检测方式，受到振动以后，弹簧球在较长的时间内进行减幅振动，这种振动便于被检测电路检测到。振动输出开关信号，输出阻抗与配合输出的电阻阻值所决定，根据检测电路的输入阻抗，可以做成高阻抗输出方式。 3.微型振动传感器：将机械式振动传感器微型化，将振动体碳化并进行密封处理，其工作性能更可靠。输出开关信号直接与TTL电路和或者单片机输入电路相连接，电路结构简单。输出阻抗高，静态工作电流小。 振动传感器按其功能可有以下几种分类方法： 按机械接收原理分：相对式、惯性式；按机电变换原理分：电动式、压电式、电涡流式、电感式、电容式、电阻式、光电式； 按所测机械量分：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、应变传感器、扭振传感器、扭矩传感器。 以上分类法中的传感器是相容的。
1、相对式电动传感器 电动式传感器基于电磁感应原理，即当运动的导体在固定的磁场里切割磁力线时，导体两端就感生出电动势，因此利用这一原理而生产的传感器称为电动式传感器。相对式电动传感器从机械接收原理来说，是一个位移传感器，由于在机电变换原理中应用的是电磁感应电律，其产生的电动势同被测振动速度成正比，所以它实际上是一个速度传感器。 2、电涡流式传感器 电涡流传感器是一种相对式非接触式传感器，它是通过传感器端部与被测物体之间的距离变化来测量物体的振动位移或幅值的。电涡流传感器具有频率范围宽(0～10 kHZ)，线性工作范围大、灵敏度高以及非接触式测量等优点，主要应用于静位移的测量、振动位移的测量、旋转机械中监测转轴的振动测量。 3、电感式传感器 依据传感器的相对式机械接收原理，电感式传感器能把被测的机械振动参数的变化转换成为电参量信号的变化。因此，电感传感器有二种形式，一是可变间隙，二是可变导磁面积。 4、电容式传感器 电容式传感器一般分为两种类型。即可变间隙式和可变公共面积式。可变间隙式可以测量直线振动的位移。可变面积式可以测量扭转振动的角位移。 5、惯性式电动传感器
无线传感器网络能量收集技术分析
无线传感器网络能量收集技术分析 1 引言 作为全球未来十大技术之一的网络传感器技术已受到人们的广泛重视。将 成百上千的低成本、低功耗、多功能的微型传感器装置组成ad hoc微传感器节点，散布在一定的地理区域，协同工作，构成了一个无线传感器网络。无线传感器网络具有自组织、微型化和对外部世界的感知能力，综合了传 感器、嵌入式系统、通信和电源等多项新技术。无线传感器网络节点通常 由传感器、通信电路和数据处理电路构成，可以放置于工厂设备、农田或 战场等危险或人类不便到达的地方完成定位、测量、控制等多种功能，可 以在任何时候、任何地点通过数据的收集、处理、分析、散播提供一种崭 新的信息通道，使人们获得较为详细、可靠的信息，在工业控制与监测、 家庭、电子消费、国家安全、军事领域、交通管理、商业、智能农业、环 境监测、医疗健康监测、空间探索等领域有着潜在和广泛的应用需求。 无线传感器网络节点一般是静止不动的，并可能处在野外恶劣环境中，不 允许更换电池，因此，无线传感器网络节点的能源管理问题是延长无线网 络传感器应用寿命和降低成本的关键，成为无线传感器网络的研究的核心 问题之一，涉及到两个方面问题，即供能与耗能问题。因此，要解决无线 传感器网络节点的能源管理问题也必须从这两个方面进行深入细致的研究。目前，在解决耗能问题方面研究较多，例如为了有效利用现有能量资源， 延长网络的生命周期，研究各种优化的路由通信协议等。像所有生物系统 不可能只通过无限地降低自身消耗不补充能量而能够长久维持系统正常状 态一样，无线传感器网络节点也不可能仅靠各种优化降耗的方法使得节点 长期正常工作下去，当各种措施使得能耗已经降低到一定限度后，人们再 努力也将得不到更好的效果。因此，我们必须从能量供应的角度进行研究，采取有效的方法为无线网络传感器提供源源不断的能量供应。如同任何生 物系统都能够从周围环境中获取并储存能量那样，无线传感器网络节点也 可以从其所处环境中获取并储存能量，所以研究如何从环境中有效地采集 和储存能源能量的收集方法越来越受到研究者的重视。
基于压电陶瓷的人体踩压能量收集及利用装置
龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/6a7822791.html, 基于压电陶瓷的人体踩压能量收集及利用装置 作者：邬登金刘牛赵肖宇陈泽瑾哈龙 来源：《山东工业技术》2015年第14期 摘要：压电陶瓷经过人或车辆踩压发出微弱不稳定交流电，根据此特点制作了基于压电 陶瓷的人体踩压能量收集及利用装置，此装置包括储能和利用两部分。在储能方面，设计了能量收集模块，把压电陶瓷发出的交流电整流后存入超级电容中。在能量利用方面，此装置实现了多种利用方式：可通过USB接口为多种设备供电，可取代火车站的手机加油站等；作为夜晚楼道感应灯，结合设计的震动模块和可编程定时器，实现人来灯亮人走灯灭的功能。整体结构由亚克力板支撑，节约了制造成本且耐用性好。本作品实现了对闲置的踩压能量的储存和低成本利用，节约能源，为当今人们的低碳生活提供了新的理念，具有广阔的应用前景。 关键词：压电陶瓷；亚克力板；能量收集模块；超级电容；震动模块；定时器 1 作品设计背景 随着对绿色能源的不断开发与利用，压电陶瓷越来越受到人们的关注。日、美、欧等发达国家对于压电发电自助供电系统已经进行了多年研究。2006年至2009年期间，日本旅客铁道株式会社在东京火车站进行过三次“发电地板”试验。2010年上海世博会上，日本馆展示了压电发电地板。同样，以色列技术研究院也在普通路面的沥青中植入大量的压电晶体，通过汽车驶过时的压力转换来发电。 国内对压电陶瓷的应用还停留在点火装置、仪表测量等方面。由于其发出的电能具有微弱、不稳定、波动大、难收集的特点，发电潜能的研究还处在初级阶段。即使有些产品利用其发电，也只是即发即用，未实现储存功能，这在很大程度上限制了它的发展。本作品在其基础上进行了实验研究和模型制作。 2 系统总体设计 系统的功能规划： （1）将压电陶瓷发出的高电压、低电流、不连续、波动大的电能进行整流处理，变为稳定电流，存入超级电容。 （2）给手机等小功率电器供电。 （3）利用人体踩压的能量来用于楼道照明，并实现人来灯亮人走灯灭的功能。
【实验报告】压电式传感器测振动实验报告
压电式传感器测振动实验报告 篇一：压电式传感器实验报告 一、实验目的：了解压电传感器的测量振动的原理和方法。 二、基本原理：压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。（观察实验用压电加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。 三、需用器件与单元：振动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、压电式传感器实验模板。双踪示波器。 四、实验步骤： 1、压电传感器装在振动台面上。 2、将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的激励源插孔。 3、将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端，与传感器外壳相连的接线端接地，另一端接R1。将压电传感器实验模板电路输出端 Vo1，接R6。将压电传感器实验模板电路输出端V02，接入低通滤波器输入端Vi，低通滤波器输出V0与示波器相连。 3、合上主控箱电源开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，观察示波器波形。 4、改变低频振荡器的频率，观察输出波形变化。 光纤式传感器测量振动实验
一、实训目的：了解光纤传感器动态位移性能。 二、实训仪器：光纤位移传感器、光纤位移传感器实验模块、振动源、低频振荡器、通信接口（含上位机软件）。 三、相关原理：利用光纤位移传感器的位移特性和其较高的频率响应，用合适的测量电路即可测量振动。 四、实训内容与操作步骤 1、光纤位移传感器安装如图所示，光纤探头对准振动平台的反射面，并避开振动平台中间孔。 2、根据“光纤传感器位移特性试验”的结果，找出线性段的中点，通过调节安装支架高度将光纤探头与振动台台面的距离调整在线性段中点（大致目测）。 3、参考“光纤传感器位移特性试验”的实验连线，Vo1与低通滤波器中的Vi 相接，低通输出Vo接到示波器。 4、将低频振荡器的幅度输出旋转到零，低频信号输入到振动模块中的低频输入。 5、将频率档选在6~10Hz左右，逐步增大输出幅度，注意不能使振动台面碰到传感器。保持振动幅度不变，改变振动频率，观察示波器波形及锋-峰值。保持频率振动不变，改变振动幅度，观察示波器波形及锋-峰值。 篇二：实验六压电式传感器测振动实验 一、实验目的：了解压电传感器的测量振动的原理和方法。
非线性压电能量收集技术研究
非线性压电能量收集技术研究 摘要：压电能量收集技术是将日常环境中所产生的振动机械能转换为电能的一种新型技术，旨在为当前WSN技术中的无线电传感器提供持续不断的能量。非线性压电能量收集技术克服了传统的线性振动能量收集技术收集频带窄的弱点。压电振动能量收集技术中引入非线性力可以让共振峰发生偏移弯曲，从而达到拓宽高效率收集频带的目的。现如今常见的非线性压电能量收集技术有机械诱导及磁力诱导两种。 关键词：非线性压电能量收集装置；WSN技术；无线电传感器； 1.引言： 自上世纪六十年代，无线传感网络技术（Wireless Sensor Network, WSN）得到了飞速的发展。作为分布式传感网络的重要技术，WSN技术系统的末端由多个传感器组成，实时监测外部环境情况。传感器通过无线网络通信传输数据，分析外部环境情况。越复杂的环境情况，就需要越多的无线传感器节点，大量的无线电传感器需要一定量的电能来维持实时的工作[1-2]。 振动作为自然界的常见现象。将振动能量转换为微电子设备所需要的电能是一种经济、环保的做法。为此，科学家们在近几十年对振动能量的转换及其收集利用展开了大量的研究。传统线性压电振动能量收集器的特点是在接近结构振动频率附近达到共振状态提高输出效率。但是，在日常的振动环境中，振动的方式及频率多样且范围广。传统的线性压电振动能量收集装置对于振动能量的利用率低。这就引起了学者们对具有宽频收集特性的非线性压电能量收集技术的研究。 2. 非线性压电振动能量收集技术研究现状： 2.1 机械诱导非线性压电振动能量收集技术 机械诱导非线性压电振动能量收集器是通过各种机械结构的设计、施加预载荷以及利用复合材料多稳态铺层结构设计等方式实现的[3]。 Hu 等人推导了轴向预压悬臂梁压电双晶片的控制方程，对其展开了振动特性的相关研究。在一定的拉伸或压缩载荷下，共振频率可以向更高或更低的方向调整。在作者的计算模型中，得出了拉伸载荷为50N时的共振频率由 129.3Hz 增大到 169.4Hz。 Masana等人[4]设计了如图1所示的承受轴向载荷的压电梁。通过理论分析和实验模拟，发现了轴向加载、可调谐的两端固定能量收集压电梁的非线性机电耦合模型。进一步得出轴向载荷下一阶模态附近的稳态振幅、输出电压和功率影响的解析表达式。实验结果显示，增大结构的轴向预载荷可以使频响曲线向高频方向弯曲，其有效带宽得到了明显的提升。 图1 承受轴向载荷的压电梁及电压响应曲线 2.2 磁力诱导非线性压电振动能量收集技术 Erturk等人[5]在123年对磁性吸引子双稳态结构进行了改进，将两层压电片粘贴在金属悬臂梁上以用于压电能量收集，如图2所示仿真和实验结果显示，系统在简谐激励下可以在很宽的低频范围内激发大幅周期运动，其输出电压是线性条件下的2倍，功率约为线性压电能量收集的8倍。使得电压及功率得到了大幅度的提升。
压电式传感器测振动实验报告
压电式传感器测振动实验报告篇一：压电式传感器实验报告 一、实验目的：了解压电传感器的测量振动的原理和方法。 二、基本原理：压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。（观察实验用压电加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。 三、需用器件与单元：振动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、压电式传感器实验模板。双踪示波器。 四、实验步骤： 1、压电传感器装在振动台面上。 2、将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的激励源插孔。 3、将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端，与传感器外壳相连的接线端接地，另一端接R1。将压电传感器实验模板电路输出端Vo1，接R6。将压电传感器实验模板电路输出端V02，接入低通滤波器输入端Vi，低通滤波器输出V0与示波器相连。 3、合上主控箱电源开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，观察示波器波形。 4、改变低频振荡器的频率，观察输出波形变化。 光纤式传感器测量振动实验 一、实训目的：了解光纤传感器动态位移性能。 二、实训仪器：光纤位移传感器、光纤位移传感器实验模块、振动源、低频振荡器、通信接口（含上位机软件）。 三、相关原理：利用光纤位移传感器的位移特性和其较高的频率响应，用合适的测量电路即可测量振动。 四、实训内容与操作步骤
1、光纤位移传感器安装如图所示，光纤探头对准振动平台的反射面，并避开振动平台中间孔。 2、根据“光纤传感器位移特性试验”的结果，找出线性段的中点，通过调节安装支架高度将光纤探头与振动台台面的距离调整在线性段中点（大致目测）。 3、参考“光纤传感器位移特性试验”的实验连线，Vo1与低通滤波器中的Vi 相接，低通输出Vo接到示波器。 4、将低频振荡器的幅度输出旋转到零，低频信号输入到振动模块中的低频输入。 5、将频率档选在6~10Hz左右，逐步增大输出幅度，注意不能使振动台面碰到传感器。保持振动幅度不变，改变振动频率，观察示波器波形及锋-峰值。保持频率振动不变，改变振动幅度，观察示波器波形及锋-峰值。 篇二：实验六压电式传感器测振动实验 一、实验目的：了解压电传感器的测量振动的原理和方法。 二、基本原理：压电式传感器由惯性质量块和受压的压电陶瓷片等组成。（观察实验用压电加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在压电陶瓷片上，由于压电效应，压电陶瓷片上产生正比于运动加速度的表面电荷。 三、需用器件与单元：振动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、压电式传感器实验模板。双线示波器。 四、实验步骤： 1、压电传感器已装在振动台面上。 2、将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的低频输入源插孔。 压电式传感器性能实验接线图 3、将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端，见图7-1，屏蔽线接地。将压电传感器实验模板电路输出端V01（如增益不够大则V01接入IC2,V02接入低通滤波器）接入低通滤波器输入端VI，低通滤波器输出V0与示波器相连。 4、合上主控箱电源开关，调节低频振荡器的频率与幅度旋扭使振动台振动，观察示波器波形。 5、改变低频振荡器频率，观察输出波形变化。