高能效自調(diào)頻壓電俘能技術(shù)研究

研究表明，當(dāng)壓電俘能裝置處于共振狀態(tài)時(shí)，壓電材料的形變量達(dá)到峰值，因壓電效應(yīng)而產(chǎn)生的電能輸出同時(shí)達(dá)到峰值。本項(xiàng)目提出了可調(diào)頻技術(shù)，使壓電俘能裝置在一定頻率寬度內(nèi)均能處于共振狀態(tài)，拓寬了壓電俘能器的工作頻率，大大提高了壓電俘能器的應(yīng)用范圍。 本項(xiàng)目的主要研究?jī)?nèi)容包括： A. 建立高能效的梁結(jié)構(gòu)和電場(chǎng)邊界條件驅(qū)動(dòng)方式。 B.開發(fā)微功耗的頻率檢測(cè)方法。 C.研究低能耗的控制器及精確閉環(huán)調(diào)頻方案。 本項(xiàng)目的主要研究結(jié)果及意義 關(guān)于研究?jī)?nèi)容A,運(yùn)用理論力學(xué)、振動(dòng)力學(xué)等知識(shí)對(duì)懸臂梁壓電雙晶片的固有頻率進(jìn)行了理論分析和推導(dǎo)，求得懸臂梁一階固有頻率與各尺寸參數(shù)和材料屬性的關(guān)系式，并從該俘能結(jié)構(gòu)出發(fā)，提出了四種可用于可調(diào)頻的假想結(jié)構(gòu)，分別為d31貼片式結(jié)構(gòu)、d31嵌入式結(jié)構(gòu)、d33壓電片結(jié)構(gòu)和d33壓電柱結(jié)構(gòu)。對(duì)以上四種結(jié)構(gòu)進(jìn)行ANSYS有限元分析，仿真不同結(jié)構(gòu)下壓電元件處于不同的電場(chǎng)邊界條件得出各自不同的剛度特性表現(xiàn)。根據(jù)仿真結(jié)果搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試仿真結(jié)果，通過統(tǒng)籌改變壓電片邊界電壓條件實(shí)現(xiàn)壓電懸臂梁固有頻率的改變。研究結(jié)果表明，結(jié)果表明使用d31嵌入式結(jié)合形式可以比使用d31表面粘貼式結(jié)合形式得到更高的頻率變化率，頻率相對(duì)變化率可達(dá)4.42%。使用d33壓電柱結(jié)合形式可以比使用d31嵌入式結(jié)合形式得到更高的頻率變化率，頻率相對(duì)變化率可達(dá)28.59%。這部分結(jié)論和方案可以進(jìn)一步進(jìn)行推廣，對(duì)實(shí)現(xiàn)壓電懸臂梁自調(diào)頻有重要意義。 針對(duì)研究?jī)?nèi)容B，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套與之相對(duì)應(yīng)的頻率檢測(cè)系統(tǒng)來對(duì)壓電懸臂梁間歇進(jìn)行有效的頻率檢測(cè)。在檢測(cè)系統(tǒng)中，我們采取的方案是：使用霍爾元件做為傳感器，將壓電懸臂梁自由端的位移量轉(zhuǎn)化為電壓量輸入到控制器中。頻率檢測(cè)范圍為20 ~ 200 Hz，檢測(cè)精度為 0.2 Hz。該頻率檢測(cè)方案可以推廣到其他領(lǐng)域，該頻率檢測(cè)軟件部分已申請(qǐng)軟件著作權(quán)。 針對(duì)研究?jī)?nèi)容C，我們采用微功耗控制器在間歇工作方式下實(shí)現(xiàn)微功耗，通過開閉壓電片兩端的電子開關(guān)改變其電場(chǎng)邊界條件可實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)，將多個(gè)壓電片電場(chǎng)邊界條件編寫成與頻率對(duì)應(yīng)的狀態(tài)控制碼儲(chǔ)存到控制器中，當(dāng)外界頻率改變時(shí)，通過閉環(huán)實(shí)施對(duì)應(yīng)狀態(tài)控制碼使壓電懸臂梁重新回歸到共振狀態(tài)。 在項(xiàng)目執(zhí)行過程中，也開展了一些原計(jì)劃沒有列入的工作，針對(duì)新型可調(diào)頻結(jié)構(gòu)壓電俘能器輸出能量進(jìn)行了測(cè)量，針對(duì)壓電輸出電壓特點(diǎn)提出了DCM模式下的Boost電路，能高效的整 2100433B

大多數(shù)基于振動(dòng)的俘能器都采用彈簧質(zhì)量阻尼結(jié)構(gòu)并使該結(jié)構(gòu)的共振頻率與俘能器周圍環(huán)境振動(dòng)的頻率一致。只要這兩個(gè)頻率存在很小的偏差，俘能器的效率就會(huì)顯著降低。在實(shí)際應(yīng)用中俘能器周圍環(huán)境振動(dòng)頻率通常是在一定范圍內(nèi)變化，極大地影響了俘能器的效率。本課題提出一種新型的自調(diào)頻壓電俘能技術(shù)，使得俘能器結(jié)構(gòu)的共振頻率可以根據(jù)周圍環(huán)境的振動(dòng)頻率自動(dòng)調(diào)整。課題以懸臂梁結(jié)構(gòu)來解釋該技術(shù)，其技術(shù)特點(diǎn)體現(xiàn)在三個(gè)方面：第一是高能效的調(diào)頻結(jié)構(gòu)，梁結(jié)構(gòu)由基本梁和與基本梁按一定方式耦合的分布式壓電片構(gòu)成，改變?nèi)我粔弘娖碾妶?chǎng)邊界條件即可改變梁結(jié)構(gòu)的共振頻率；第二是高的材料利用率，所有的壓電片都在作為電場(chǎng)邊界條件驅(qū)動(dòng)元件的同時(shí)可作為俘能元件；第三是低能耗的測(cè)頻技術(shù)，從傳感器輸出去分析頻率變化的方向，目的在于降低頻率檢測(cè)系統(tǒng)的復(fù)雜性和能耗，提高凈俘能。本課題的研究成果將大大提高壓電俘能器在實(shí)際工程中應(yīng)用的可能性和適應(yīng)性。

本項(xiàng)目針對(duì)現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)式壓電俘能器可靠性低、轉(zhuǎn)速適應(yīng)性低、發(fā)電能力弱等弊端，以磁力耦合徑向拉-壓激勵(lì)下預(yù)彎壓電振子伸縮振動(dòng)的工作機(jī)理與內(nèi)在規(guī)律為研究對(duì)象，目的是通過磁力耦合拉-壓激勵(lì)預(yù)彎壓電振子并使之產(chǎn)生沿旋轉(zhuǎn)體徑向伸縮振動(dòng)發(fā)電，建立了壓電俘能器在旋轉(zhuǎn)磁鐵激勵(lì)下一般周期力的數(shù)學(xué)模型，開展了預(yù)彎梁壓電振子的理論與仿真分析，獲得了磁力耦合下預(yù)彎壓電振子的初始工作位置對(duì)壓電能量收集器的影響規(guī)律，試驗(yàn)得到了旋磁激勵(lì)下彎曲壓電振子的發(fā)電特性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探究了旋磁激勵(lì)式壓電預(yù)彎梁俘能器機(jī)理并通過試驗(yàn)獲得了俘能器輸出性能的影響規(guī)律，項(xiàng)目執(zhí)行期間，課題組成員在原有實(shí)施方案基礎(chǔ)上又提出了多種新結(jié)構(gòu)新原理的旋磁激勵(lì)式壓電俘能器，包括：磁力夾持的旋磁激勵(lì)壓電俘能器、可調(diào)頻旋磁激勵(lì)式壓電發(fā)電機(jī)、基于壓電簡(jiǎn)支梁拉伸調(diào)頻的旋磁激勵(lì)式發(fā)電機(jī)、錯(cuò)位旋磁激勵(lì)式壓電俘能器等。四年來，本項(xiàng)目研究成果已經(jīng)在國內(nèi)外公開發(fā)表學(xué)術(shù)論文17篇，其中SCI檢索期刊7篇、EI檢索期刊8篇（1篇錄用），獲得發(fā)明專利17項(xiàng)、申請(qǐng)發(fā)明專利5項(xiàng)，3項(xiàng)專利技術(shù)轉(zhuǎn)讓66萬元，國際會(huì)議分組報(bào)告2次，培養(yǎng)碩士研究生4名，依托本項(xiàng)目2016年項(xiàng)目負(fù)責(zé)人獲得國家公派出國留學(xué)資格赴英國南安普頓大學(xué)訪學(xué)一年，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人也由副教授晉升為教授，并獲聘本?！半p龍學(xué)者”特聘教授。 2100433B

提出利用磁力耦合拉-壓激勵(lì)預(yù)彎壓電振子并使之產(chǎn)生沿旋轉(zhuǎn)體徑向伸縮振動(dòng)發(fā)電，研究這種磁力耦合徑向拉-壓激勵(lì)及發(fā)電能力的形成理論與方法，進(jìn)而構(gòu)造高可靠性、寬頻帶、軸向占用空間小的新型回轉(zhuǎn)式壓電俘能器，用于航空航天/大型機(jī)械等非結(jié)構(gòu)環(huán)境中旋轉(zhuǎn)體的自供電傳感監(jiān)測(cè)。主要內(nèi)容：統(tǒng)籌考慮俘能器系統(tǒng)要素間耦合關(guān)系，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)/運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過模擬仿真獲得磁場(chǎng)非線性耦合特性及其對(duì)激振力和部件相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的影響規(guī)律、以及合理的系統(tǒng)參數(shù)匹配關(guān)系；研究壓電振子的徑向振動(dòng)形態(tài)及其能量轉(zhuǎn)換特性，分析機(jī)械單元結(jié)構(gòu)、電控單元電路形式/器件參數(shù)等對(duì)發(fā)電能力/效率的影響規(guī)律，提取制約預(yù)彎壓電振子動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度及有序徑向往復(fù)振動(dòng)的關(guān)鍵要素，揭示磁力耦合拉-壓激勵(lì)形成寬頻帶發(fā)電能力的本質(zhì)機(jī)理；進(jìn)行兩類回轉(zhuǎn)式壓電俘能器樣機(jī)制作與試驗(yàn)，獲得最優(yōu)激勵(lì)方案、機(jī)械結(jié)構(gòu)及能量回收方案；試制樣機(jī)至少8臺(tái)，提供設(shè)計(jì)方法及關(guān)鍵制造技術(shù)參數(shù)。

有線調(diào)頻的簡(jiǎn)介

有線調(diào)頻廣播就是將音頻信號(hào)采用FM調(diào)頻調(diào)制的方式，調(diào)制在87-108MHz這一頻段內(nèi)，與有線電視信號(hào)混合后，采用同軸電纜或者是光纜進(jìn)行傳輸?shù)囊环N廣播信號(hào)傳輸方式，也就是我們常說的FM CATV共纜傳輸方式，有線調(diào)頻廣播可以傳輸立體聲調(diào)頻廣播信號(hào)，指標(biāo)高的調(diào)頻調(diào)制器可以達(dá)到CD音質(zhì)。

有線調(diào)頻的應(yīng)用

廣泛應(yīng)用于擁有有線電視系統(tǒng)的單位進(jìn)行背景音樂廣播、講話通知、音樂打鈴、外語教學(xué)、聽力考試和消防緊急廣播等。采用調(diào)頻傳輸方式與閉路電視共纜傳輸多套廣播節(jié)目。主要功能與特點(diǎn)：

1.室內(nèi)采用有線調(diào)頻廣播為主，與學(xué)校閉路電視共纜傳輸多套調(diào)頻廣播節(jié)目，使各年級(jí)或?qū)I(yè)擁有自己獨(dú)立的頻道；

2.軟件對(duì)終端廣播箱可進(jìn)行獨(dú)立尋址，實(shí)現(xiàn)對(duì)任意班級(jí)（教室）、任意年級(jí)或組的打開與關(guān)閉；

3.教室采用16頻道遙控型調(diào)頻廣播箱，操作方便，一箱多用，具有音樂鈴聲，學(xué)校廣播，收聽開路節(jié)目和教室擴(kuò)音四合一功能；

4.系統(tǒng)的定壓廣播部分，在同一時(shí)間里，對(duì)不同的區(qū)域允許播放相同或不同的廣播節(jié)目；由軟件設(shè)定的矩陣切換器輸出狀態(tài)決定，最多能播放八套不同節(jié)目；

5.系統(tǒng)可選用遠(yuǎn)程遙控子系統(tǒng)，非常適合學(xué)校在升旗儀式和廣播操集合時(shí)使用；

6.即時(shí)打開廣播室設(shè)備電源與分區(qū)，利用無線話筒進(jìn)行廣播講話；可隨時(shí)進(jìn)行點(diǎn)曲播放：在軟件中可以預(yù)先設(shè)定四組遙控列表曲目，當(dāng)雙擊遙控手柄上的5-8按鈕時(shí)，即時(shí)調(diào)用對(duì)應(yīng)列表進(jìn)行播放；

7.對(duì)正在播放（自動(dòng)播放或遙控播放）的曲目可以進(jìn)行暫停、播放、下一曲、停止、音量增大、音量減小等操作，此功能十分適合中小學(xué)升旗儀式和廣播操集合時(shí)使用；

8.軟件可對(duì)矩陣切換器的十六路輸出音源進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)任意切換分配。

中波（MW）：它的頻率要比調(diào)頻小很多，波長(zhǎng)比較大，所以比較容易傳過那些障礙物繼續(xù)傳播，它適用于遠(yuǎn)距離傳播。但是，它的收聽效果就不是很穩(wěn)定，清晰度就不高。2100433B