面向无线传感器网络的磁电和电磁复合式宽频振动能量采集器研究

Wireless Sensor Networks (WSN) is the core of the Internet of Things (IOT). However, the function cycle of WSN is restricted by battery life. The power supply bottlenecks of WSN could be solved by the self-powering device completely, which formed by the combinations of energy harvester and wireless sensor. The magnetoelectric and electromagnetic hybrid broadband vibration energy harvester was first proposed, which has broader work frequency bandwidth and higher energy conversion efficiency per unit volume than traditional single energy transfer method. Explore the method that two energy transducer could interact and excite each other forward. Provide a theory basis for the optimal energy conversion. According to the composite magnetoelectric materials of high-permeability materail/Terfnol-D /PZT/Terfnol-D/high-permeability material, we should establish magnetoelectric effect model, study the effects of high-permeability material on the output performance of vibration energy harvester. Design the broadband vibration energy harvester based multiple degrees of freedom. Establish the theoretical model of nonlinear vibration. This research may provide an idea for broadening the work frequency bandwidth of vibration energy harvester. Develop the magnetoelectric and electromagnetic hybrid broadband vibration energy harvester, which could power the WSN nodes continuously. The application areas of WSN will be broadened by the accomplishment of the self-powdering WSN. Then, Wireless Sensor Networks blowout times coming.

无线传感器网络是物联网的核心。电池寿命限制了现有无线传感器网络的功能周期。转化环境能量获取电能的能量采集器和无线传感器结合，形成自供电组件，能够根本解决无线传感器网络的供电瓶颈。首次提出集成磁电和电磁两种换能方式的复合式宽频振动能量采集器，突破传统单一换能方式单位体积能量采集效率低、工作频带窄的限制。探索两种换能方式相互激发、促进的方法，为实现最优的能量转换提供理论依据。针对高磁导率/压磁/压电/压磁/高磁导率复合磁电材料，建立磁电响应模型，明确高磁导率材料对其输出性能的影响规律，为设计高性能磁电换能器奠定基础。设计基于多自由度结构的振动能量采集器，建立非线性振动模型，为解决振动能量采集器的宽频化问题提供思路。研制磁电和电磁复合式宽频振动能量采集器，能够在较宽频带范围内对无线传感器节点持续供电，实现自供电无线传感器网络，极大拓宽了无线传感器网络的应用领域，使其需求产生"井喷效应"。

无线传感器网络是物联网的核心，而电池寿命限制了现有无线传感器网络的功能周期。转化环境能量获取电能的能量采集器和无线传感器结合，形成自供电组件，能够根本解决无线传感器网络的供电瓶颈。传统采用单一换能方式的振动能量采集技术很难同时具备大的输出功率、电压和电流，无法让传感器正常工作。本课题提出磁电和电磁复合式宽频振动能量采集器，在一个系统内实现两种换能方式，使之同时具备高功率、高电压、大电流和高能量密度的特点，为振动能量采集提供了新的思路和靶点。本课题研究高磁导率/压磁/压电复合磁电材料的磁电响应理论、制备工艺及表征；研究磁电和电磁两种换能方式相互激发、促进的方法；设计复合式振动能量采集器，并进行理论分析、样机制作及性能测试；研究基于多自由度结构的复合式宽频振动能量采集器，建立非线性振动模型，为解决采集器的宽频化问题提供思路。重要研究结果包括：(1)针对FeCuNbSiB/Terfenol-D/PZT复合磁电材料，建立了磁电响应理论模型，推导出低频磁电电压系数公式。随着FeCuNbSiB的添加，复合材料的磁电电压系数显著增加，当厚度为90微米时，最大磁电电压系数达到4.57 V/Oe，提高了29%。(2)明确影响两种换能方式输出特性的主要因素, 设计了磁电和电磁复合式换能器，通过内部复合，显著提高输出功率密度。(3)设计磁电和电磁复合式振动能量采集器，研究了不同参数对采集器输出性能的影响。结果显示，采集器最大输出功率可达40.8 mW，同时输出电压118 V、电流124.1 mA。相较于单一换能方式，复合式采集器具有更优的输出特性。(4)研究了基于多自由度结构的宽频复合式振动能量采集器，建立了非线性振动模型，为低频振动能量采集器的宽频化设计提供理论依据。我们着眼于原始科技创新，创新提出磁电和电磁复合式振动能量采集器，突破传统单一能量采集方式受限于环境能量密度、分布等限制，使之能够在较宽频带范围内对无线传感节点持续供电，实现自供电无线传感器网络，极大拓宽了无线传感器网络的应用领域，使其需求产生“井喷效应”。