網(wǎng)站模版怎么用,廣州淘寶運(yùn)營培訓(xùn),阿里云 做購物網(wǎng)站網(wǎng)站,百度經(jīng)驗怎么賺錢雙諧振壓電能量采集器突破低頻寬帶瓶頸 在橋梁健康監(jiān)測、工業(yè)設(shè)備狀態(tài)感知或可穿戴醫(yī)療系統(tǒng)中#xff0c;傳感器節(jié)點常常面臨“有電難充”的困境。傳統(tǒng)電池供電不僅維護(hù)成本高#xff0c;還存在環(huán)境污染風(fēng)險。而環(huán)境中無處不在的微弱振動——比如電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、行人走動甚至心跳…雙諧振壓電能量采集器突破低頻寬帶瓶頸在橋梁健康監(jiān)測、工業(yè)設(shè)備狀態(tài)感知或可穿戴醫(yī)療系統(tǒng)中傳感器節(jié)點常常面臨“有電難充”的困境。傳統(tǒng)電池供電不僅維護(hù)成本高還存在環(huán)境污染風(fēng)險。而環(huán)境中無處不在的微弱振動——比如電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、行人走動甚至心跳波動——本應(yīng)是理想的能源補(bǔ)充來源但現(xiàn)有壓電能量采集器卻普遍“力不從心”它們只在特定頻率附近高效工作一旦環(huán)境振動頻率偏移幾赫茲輸出功率便急劇下降。這正是深港微電子學(xué)院汪飛課題組試圖解決的核心問題。他們最新發(fā)布的研究成果展示了一種基于PVDF薄膜的雙諧振壓電能量采集器通過巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計在保持柔性與微型化優(yōu)勢的同時首次實現(xiàn)了低于20 Hz的雙峰響應(yīng)和高達(dá)14 Hz的有效帶寬顯著提升了復(fù)雜低頻環(huán)境下的能量捕獲能力。結(jié)構(gòu)創(chuàng)新從單峰到雙峰的動力學(xué)重構(gòu)傳統(tǒng)壓電能量采集器多采用單質(zhì)量塊懸臂梁結(jié)構(gòu)其本質(zhì)是一個線性二階系統(tǒng)固有頻率固定。當(dāng)外部激勵接近該頻率時發(fā)生共振產(chǎn)生最大形變和電壓輸出然而實際應(yīng)用場景中的振動往往具有寬頻、非周期性和時變特性導(dǎo)致傳統(tǒng)器件難以持續(xù)有效工作。為此研究團(tuán)隊提出一種上下雙層懸臂梁耦合結(jié)構(gòu)將兩個獨立諧振子系統(tǒng)集成于同一基底上上層子系統(tǒng)由輕質(zhì)量塊與短懸臂梁構(gòu)成諧振頻率較高約22 Hz下層子系統(tǒng)則配備重質(zhì)量塊與長梁響應(yīng)更低頻段約15 Hz兩質(zhì)量塊之間設(shè)有精確控制的間隙~0.5 mm為后續(xù)非線性行為預(yù)留空間壓電材料選用柔性PVDF薄膜厚度僅28 μm兼具良好的柔韌性和加工適應(yīng)性。這種設(shè)計并非簡單疊加兩個單結(jié)構(gòu)而是通過潛在的機(jī)械碰撞引入強(qiáng)非線性動力學(xué)機(jī)制從而打破傳統(tǒng)線性系統(tǒng)的帶寬限制。非線性增益為什么“碰撞”反而提升了效率很多人會問讓兩個部件反復(fù)碰撞難道不會損耗能量嗎答案恰恰相反——在一定條件下這種非線性相互作用能實現(xiàn)“11 2”的協(xié)同增益。當(dāng)振動加速度達(dá)到閾值實驗中≥5 m/s2時上下質(zhì)量塊可能發(fā)生物理接觸。此時系統(tǒng)進(jìn)入非線性碰撞模式動能在兩者間重新分配部分原本會在阻尼中耗散的能量被另一子系統(tǒng)吸收并轉(zhuǎn)化為電能。更重要的是碰撞打破了原有共振峰的尖銳性使頻率響應(yīng)曲線展寬在遠(yuǎn)離主諧振點的位置仍能維持可觀輸出。這一現(xiàn)象在MATLAB/Simulink仿真中得到了驗證。建模時考慮了質(zhì)量、剛度、阻尼及恢復(fù)系數(shù)設(shè)為0.8的動力學(xué)方程$$m_i ddot{x}i c_i dot{x}_i k_i x_i F{ext}(t),quad i1,2$$當(dāng)位移差超過預(yù)設(shè)間隙 $d_{gap}$ 時觸發(fā)碰撞事件并依據(jù)動量守恒更新速度$$v_1’ frac{(m_1 - e m_2)v_1 (1e)m_2 v_2}{m_1 m_2},quadv_2’ frac{(m_2 - e m_1)v_2 (1e)m_1 v_1}{m_1 m_2}$$仿真結(jié)果顯示在20 Hz正弦激勵下5 m/s2加速度即可引發(fā)明顯速度突變和能量再分配而在白噪聲激勵下雙共振結(jié)構(gòu)的平均輸出功率比兩個單結(jié)構(gòu)之和高出40%–81%峰值達(dá)0.35 μW 16 Hz。實物驗證從模型到原型的閉環(huán)測試為了驗證理論與仿真的可靠性團(tuán)隊完成了完整的器件制備流程使用激光切割不銹鋼片形成支撐梁旋涂法制備28 μm厚PVDF薄膜蒸鍍100 nm鋁電極為上下電極精密粘接定制鎢合金質(zhì)量塊局部環(huán)氧樹脂封裝以保護(hù)電路同時保留活動自由度。測試平臺搭建如下信號發(fā)生器 → 功率放大器 → 電動振動臺 → 能量采集器 ↘ 加速度計實時監(jiān)控 采集器輸出 → 負(fù)載電阻20 Ω → 數(shù)據(jù)采集卡DAQ激勵信號采用50 Hz低通白噪聲RMS加速度分別設(shè)置為5、10、15 m/s2采樣率10 kHz統(tǒng)計200個周期后的均方根功率。實測數(shù)據(jù)表明雙共振結(jié)構(gòu)在所有工況下均優(yōu)于兩子系統(tǒng)單獨工作的總和RMS 加速度雙共振輸出 (μW)子系統(tǒng)AB之和 (μW)增益5 m/s218.310.181%10 m/s282.954.752%15 m/s2133.094.840%值得注意的是隨著激勵增強(qiáng)增益比例略有下降。這說明在極高振幅下單個子系統(tǒng)已接近飽和非線性耦合帶來的邊際效益遞減但仍保持顯著優(yōu)勢。性能對比窄帶 vs 寬帶采集的本質(zhì)差異參數(shù)單結(jié)構(gòu)PEH雙共振PEH主諧振頻率~18 Hz15 Hz 22 Hz有效帶寬-3dB~2 Hz14 Hz最大輸出功率0.21 μW0.35 μW低頻啟動能力17 Hz低至15 Hz傳統(tǒng)器件的有效帶寬通常不足幾個Hz意味著只要環(huán)境振動頻率漂移一點性能就大幅下滑。而本設(shè)計將可用頻段擴(kuò)展至15–29 Hz覆蓋了大多數(shù)工業(yè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械如風(fēng)機(jī)、泵體、人體步態(tài)1–3 Hz基頻及其諧波以及軌道交通引起的結(jié)構(gòu)振動。此外由于采用了PVDF材料整個器件具備優(yōu)異的柔性和抗沖擊能力適合貼附于曲面或動態(tài)變形體表面拓展了部署場景的可能性。應(yīng)用適配性與工程優(yōu)化建議盡管該技術(shù)展現(xiàn)出強(qiáng)大潛力但在實際應(yīng)用中仍需注意以下幾點? 推薦使用場景工業(yè)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測主頻10–30 Hz橋梁、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施健康監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)可穿戴傳感器捕捉步態(tài)、呼吸、脈搏相關(guān)振動地鐵軌道沿線分布式傳感節(jié)點? 不推薦場景幾乎靜態(tài)或極低頻5 Hz環(huán)境難以激發(fā)共振強(qiáng)沖擊負(fù)載可能導(dǎo)致長期疲勞損傷高溫環(huán)境80°C可能影響PVDF極化穩(wěn)定性如何最大化輸出頻譜匹配根據(jù)目標(biāo)場景的主要振動頻率調(diào)整雙諧振點分布間隙調(diào)控過小易提前碰撞造成非必要磨損過大則無法激發(fā)有效耦合阻抗匹配實驗確定最佳負(fù)載電阻本研究中為20 Ω激勵強(qiáng)度管理在結(jié)構(gòu)安全范圍內(nèi)提升振動幅值以激活非線性效應(yīng)。值得一提的是該結(jié)構(gòu)具有良好的可拓展性。雖然本文使用PVDF但同樣適用于PZT陶瓷、AlN薄膜等其他壓電材料也可移植至靜電式或電磁式能量采集架構(gòu)中。關(guān)鍵問題解析Q為何雙共振結(jié)構(gòu)輸出能超過兩個單結(jié)構(gòu)之和這不是簡單的疊加效應(yīng)而是源于非線性碰撞耦合帶來的能量再分配機(jī)制。碰撞過程中一個子系統(tǒng)的動能可以傳遞給另一個正在衰減的子系統(tǒng)使其再次振動并發(fā)電相當(dāng)于延長了整體的能量轉(zhuǎn)化時間窗口。QPVDF和PZT怎么選特性PVDFPZT柔韌性? 極佳? 脆性大壓電系數(shù)? 較低d?? ≈ -20 pC/N? 高d?? ≈ -170 pC/N制備工藝? 易成膜、低溫兼容? 需高溫?zé)Y(jié)穩(wěn)定性?? 存在極化衰減? 長期穩(wěn)定若追求高功率密度且工作環(huán)境穩(wěn)定PZT更優(yōu)若需彎曲貼合、耐沖擊或低成本批量生產(chǎn)PVDF更具優(yōu)勢。Q如何判斷是否發(fā)生碰撞可通過以下方式識別- 輸出電壓波形出現(xiàn)突發(fā)尖峰脈沖- 加速度計記錄到瞬時反向加速度跳變- 高速攝像機(jī)觀測到位移軌跡突變Q壽命如何會不會因碰撞磨損失效實驗表明在10?次循環(huán)后輸出功率下降小于8%。為進(jìn)一步提升耐久性建議采用PDMS包覆或耐磨涂層處理接觸區(qū)域。Q能否實現(xiàn)批量制造完全可以。PVDF可通過卷對卷roll-to-roll工藝連續(xù)成膜結(jié)合MEMS微加工技術(shù)具備良好的產(chǎn)業(yè)化前景。開發(fā)者實踐指南對于希望復(fù)現(xiàn)或改進(jìn)該設(shè)計的研究人員與工程師建議遵循以下開發(fā)流程第一階段原型驗證建立Simulink或COMSOL動力學(xué)模型預(yù)測頻率響應(yīng)搭建簡易振動臺進(jìn)行初步掃頻測試記錄不同間隙尺寸下的輸出曲線尋找最優(yōu)參數(shù)區(qū)間。第二階段參數(shù)優(yōu)化調(diào)整上下質(zhì)量塊比例平衡雙峰輸出掃描負(fù)載電阻定位最大功率點引入柔性限位結(jié)構(gòu)防止過度變形損壞。第三階段系統(tǒng)集成搭配橋式整流電路與穩(wěn)壓模塊連接超級電容或微型電池作為儲能單元集成低功耗MCU如nRF52系列實現(xiàn)自喚醒與數(shù)據(jù)上傳邏輯設(shè)計防護(hù)外殼以應(yīng)對現(xiàn)場溫濕度、灰塵等挑戰(zhàn)。這項研究的意義不僅在于提升了幾微瓦的輸出功率更在于提供了一種面向真實復(fù)雜環(huán)境的能量采集新范式——不再依賴?yán)硐牖膯我还舱穸侵鲃永梅蔷€性機(jī)制拓展工作窗口使自供能系統(tǒng)真正具備實用價值。隨著物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點數(shù)量呈指數(shù)增長這類高適應(yīng)性、低維護(hù)成本的能量解決方案將成為構(gòu)建可持續(xù)智能感知網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵基石。如需進(jìn)一步交流或獲取詳細(xì)技術(shù)資料歡迎聯(lián)系汪飛 副教授南方科技大學(xué) 深港微電子學(xué)院郵箱wangfeisustech.edu.cn主頁https://faculty.sustech.edu.cn/wangf/? 2025 深港微電子學(xué)院. 保留所有權(quán)利.原文發(fā)表于Sensors and Actuators A: PhysicalDOI: 10.1016/j.sna.2016.08.021