基于舰船环境的能量回收型无线温度传感器研制
发布时间：2021-01-21 12:06
无线传感器网络是一种分布式控制、可快速组网的网络通讯技术,利用布置在目标场所的传感器节点采集环境数据信息,通过无线传输技术实现对环境的检测与控制。将无线传感器网络应用于舰船系统,能有效改善舰船自动化系统的搭建成本。目前的无线传感器节点通常由传统化学电池提供能源,而节点通常布置在管道等人类不便到达之处,则电池耗尽后,无线传感器也将失效。将环境中的能量回收转化为电能为节点供电是有效解决节点电池能源不足的途径之一。本文研制了两种能量回收型无线温度传感器:一种是基于压电效应的回收舰船环境中振动能量的无线传感器,根据压电学等相关理论建立了压电悬臂梁模型,利用Ansys Workbench软件对压电悬臂梁进行建模和仿真,讨论了影响压电悬臂梁固有频率的各项因素,并对悬臂梁结构尺寸进行了优化,使其固有频率趋近于舰船环境中的振动频率,并通过实验初步验证研究的正确性。另一种是基于电磁感应原理的回收舰船中摇摆能量的无线传感器,根据电磁学等相关理论建立摆动能量收集装置模型,利用Ansoft Maxwell软件对滚动式电磁摆动能量收集装置进行建模和仿真,并对线圈参数进行了优化,提高了摆动能量收集的效率。本文设计...
【文章来源】：南华大学湖南省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
一种电磁式微型发电机基本结构
南华大学硕士学位论文4图1.1一种电磁式微型发电机基本结构Fig1.1Basicstructureofelectromagneticminiaturegenerator图1.2所示为静电式振动能量回收装置的一种基本结构，当环境产生振动时，引起可变电容器极板的相对面积或相对距离发生改变，从而引起电荷转移，在外部电路中产生电流[27]。日本东京大学在2006年提出了一种基于CYTOP材料作聚合柱极体的静电式微型发电机，这种材料可以减小装置的厚度，该发电机最大输出功率为6e=ú°@ú[28]。YiC等人则提出了一种通过外部电源进行初始化操作的微型静电式发电机[29]。2007年，台湾交通大学的VChiu等人对传统经典是微型发电机结构进行了优化，通过减小发电系统的固有频率的方法，提高了系统的输出功率[30]。静电式发电机需要外接电源提供一定的初始电压才能驱动，限制了其应用范围。图1.2一种静电式微型发电机基本结构Fig1.2Basicstructureofelectrostaticminiaturegenerator
第1章绪论5图1.3所示为压电式振动能量回收装置的一种基本结构，是一种基于特殊材料的压电效应进行发电的装置。装置的机械结构产生振动时，压电材料发生形变，从而产生动势差，故而产生电能。自2000年来，国内外众多机构和学者展开了对压电转换式振动能量微型发电机的研究，并取得了一定进展。在理论模型方面，贺学锋等人对悬臂梁式结构模型进行了研究，推导出较精确的谐振频率和输出功率理论公式[31]。在结构优化方面，Tang等人对阻尼比、质量比等系数进行了研究，发现双自由度系统能够在一定程度上扩大悬臂梁的共振频率范围[32]。哈尔滨工业大学谢涛等人对多悬臂梁振子的压电式振动能量发电机进行试验研究，成功的将谐振频率带拓宽至56-66Hz，大大提高了发电效率，当激振频率为60Hz时，其输出功率时单悬臂梁的2倍[33]。纵观现有文献，主要有两种对压电悬臂梁回收装置的优化方案：一种是对压电悬臂梁结构参数进行优化，使悬臂梁固有频率与环境振动频率相匹配；另一种是通过建立多个悬臂梁，从而扩大整个系统共振频率区间。图1.3一种压电悬臂梁式发电机基本结构Fig1.3Basicstructureofpiezoelectriccantilevergenerator1.2.4能量回收装置的应用由于微机电系统的飞速发展，无线传感器应用也越来越广泛，而传感器能否正常工作离不开稳定的供电系统。对于用传统的化学电池给无线传感器供电有着明显的缺点：电池体积较大且寿命有限，需要定期更换，对于密布管道的船舱等人类较难到达的地方，更换电池极不方便；化学电池还会引起环境污染等问题，不利于可持续发展。因此，无线传感器需要一种微型的、可持续供电且无污染的供电方式。
【参考文献】：
期刊论文
[1]压电加速度传感器磁灵敏度的多维测试方法的研究[J]. 黄志煌,林喜鉴. 计量与测试技术. 2019(11)
[2]地铁轨道振动能量回收系统储能技术[J]. 吴丽君,徐振龙,刘晓红,赵峰,孙栩,王喻红,刘磊. 交通科技与经济. 2019(05)
[3]超高压电容器用电子陶瓷材料系列化的研究[J]. 随辰. 广东化工. 2019(17)
[4]压电陶瓷复合材料振动发电研究[J]. 孙晓东,冯武卫,张玉莲,贾森君,叶君华. 机械设计与制造工程. 2019(01)
[5]船舶运动对管线受力特性的影响[J]. 林强,王浩召,陈垦,曹阳,刘双. 中国造船. 2018(04)
[6]无铅压电陶瓷材料改性研究的现状[J]. 郭璐. 信息记录材料. 2018(11)
[7]悬臂梁双晶压电片不同连接方式发电性能[J]. 张智娟,倪超,侯立群. 电子器件. 2018(04)
[8]压电陶瓷球形换能器耐电压与抗拉极限辐射声功率研究[J]. 赵勰. 声学技术. 2018(01)
[9]基于压电悬臂梁的振动发电装置研究[J]. 陆安凝若,冯武卫,虞昊迪,周鹏程,周芃芃. 数码设计. 2017(07)
[10]基于LTC3588-1的压电能量收集装置实现及分析[J]. 王赟,陈喜辉,程功,邹文隆,焦天予. 机电信息. 2017(09)
博士论文
[1]压电振子在直线式振动送料器上的应用研究[D]. 苏江.吉林大学 2014
硕士论文
[1]基于ZigBee无线传感器网络的远程抄表系统研究[D]. 黄定懿.湖北民族大学 2019
[2]低频宽频带压电振动能量收集技术的研究[D]. 李彬.西安电子科技大学 2019
[3]基于LZW算法的实时数据压缩无线传感器网络的研究与设计[D]. 马林.中北大学 2018
[4]基于NB-IoT的物联网应用研究[D]. 许剑剑.北京邮电大学 2017
[5]基于切片法的海浪干扰力分析及船舶运动仿真研究[D]. 陈美蓉.厦门大学 2017
[6]无线传感器网络的目标追踪和节能覆盖优化研究[D]. 边家家.西安电子科技大学 2017
[7]基于多个风致振动能量收集器的微能源系统设计与应用[D]. 马小敏.重庆大学 2017
[8]并行无线充电中的群组调度研究[D]. 李豪.华中科技大学 2017
[9]电磁式振动能量收集装置研究[D]. 王满州.浙江工业大学 2017
[10]非线性低频压电振动能量回收装置的研究[D]. 张浩.南京航空航天大学 2016
本文编号：2991129
【文章来源】：南华大学湖南省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
一种电磁式微型发电机基本结构
南华大学硕士学位论文4图1.1一种电磁式微型发电机基本结构Fig1.1Basicstructureofelectromagneticminiaturegenerator图1.2所示为静电式振动能量回收装置的一种基本结构，当环境产生振动时，引起可变电容器极板的相对面积或相对距离发生改变，从而引起电荷转移，在外部电路中产生电流[27]。日本东京大学在2006年提出了一种基于CYTOP材料作聚合柱极体的静电式微型发电机，这种材料可以减小装置的厚度，该发电机最大输出功率为6e=ú°@ú[28]。YiC等人则提出了一种通过外部电源进行初始化操作的微型静电式发电机[29]。2007年，台湾交通大学的VChiu等人对传统经典是微型发电机结构进行了优化，通过减小发电系统的固有频率的方法，提高了系统的输出功率[30]。静电式发电机需要外接电源提供一定的初始电压才能驱动，限制了其应用范围。图1.2一种静电式微型发电机基本结构Fig1.2Basicstructureofelectrostaticminiaturegenerator
第1章绪论5图1.3所示为压电式振动能量回收装置的一种基本结构，是一种基于特殊材料的压电效应进行发电的装置。装置的机械结构产生振动时，压电材料发生形变，从而产生动势差，故而产生电能。自2000年来，国内外众多机构和学者展开了对压电转换式振动能量微型发电机的研究，并取得了一定进展。在理论模型方面，贺学锋等人对悬臂梁式结构模型进行了研究，推导出较精确的谐振频率和输出功率理论公式[31]。在结构优化方面，Tang等人对阻尼比、质量比等系数进行了研究，发现双自由度系统能够在一定程度上扩大悬臂梁的共振频率范围[32]。哈尔滨工业大学谢涛等人对多悬臂梁振子的压电式振动能量发电机进行试验研究，成功的将谐振频率带拓宽至56-66Hz，大大提高了发电效率，当激振频率为60Hz时，其输出功率时单悬臂梁的2倍[33]。纵观现有文献，主要有两种对压电悬臂梁回收装置的优化方案：一种是对压电悬臂梁结构参数进行优化，使悬臂梁固有频率与环境振动频率相匹配；另一种是通过建立多个悬臂梁，从而扩大整个系统共振频率区间。图1.3一种压电悬臂梁式发电机基本结构Fig1.3Basicstructureofpiezoelectriccantilevergenerator1.2.4能量回收装置的应用由于微机电系统的飞速发展，无线传感器应用也越来越广泛，而传感器能否正常工作离不开稳定的供电系统。对于用传统的化学电池给无线传感器供电有着明显的缺点：电池体积较大且寿命有限，需要定期更换，对于密布管道的船舱等人类较难到达的地方，更换电池极不方便；化学电池还会引起环境污染等问题，不利于可持续发展。因此，无线传感器需要一种微型的、可持续供电且无污染的供电方式。
【参考文献】：
期刊论文
[1]压电加速度传感器磁灵敏度的多维测试方法的研究[J]. 黄志煌,林喜鉴. 计量与测试技术. 2019(11)
[2]地铁轨道振动能量回收系统储能技术[J]. 吴丽君,徐振龙,刘晓红,赵峰,孙栩,王喻红,刘磊. 交通科技与经济. 2019(05)
[3]超高压电容器用电子陶瓷材料系列化的研究[J]. 随辰. 广东化工. 2019(17)
[4]压电陶瓷复合材料振动发电研究[J]. 孙晓东,冯武卫,张玉莲,贾森君,叶君华. 机械设计与制造工程. 2019(01)
[5]船舶运动对管线受力特性的影响[J]. 林强,王浩召,陈垦,曹阳,刘双. 中国造船. 2018(04)
[6]无铅压电陶瓷材料改性研究的现状[J]. 郭璐. 信息记录材料. 2018(11)
[7]悬臂梁双晶压电片不同连接方式发电性能[J]. 张智娟,倪超,侯立群. 电子器件. 2018(04)
[8]压电陶瓷球形换能器耐电压与抗拉极限辐射声功率研究[J]. 赵勰. 声学技术. 2018(01)
[9]基于压电悬臂梁的振动发电装置研究[J]. 陆安凝若,冯武卫,虞昊迪,周鹏程,周芃芃. 数码设计. 2017(07)
[10]基于LTC3588-1的压电能量收集装置实现及分析[J]. 王赟,陈喜辉,程功,邹文隆,焦天予. 机电信息. 2017(09)
博士论文
[1]压电振子在直线式振动送料器上的应用研究[D]. 苏江.吉林大学 2014
硕士论文
[1]基于ZigBee无线传感器网络的远程抄表系统研究[D]. 黄定懿.湖北民族大学 2019
[2]低频宽频带压电振动能量收集技术的研究[D]. 李彬.西安电子科技大学 2019
[3]基于LZW算法的实时数据压缩无线传感器网络的研究与设计[D]. 马林.中北大学 2018
[4]基于NB-IoT的物联网应用研究[D]. 许剑剑.北京邮电大学 2017
[5]基于切片法的海浪干扰力分析及船舶运动仿真研究[D]. 陈美蓉.厦门大学 2017
[6]无线传感器网络的目标追踪和节能覆盖优化研究[D]. 边家家.西安电子科技大学 2017
[7]基于多个风致振动能量收集器的微能源系统设计与应用[D]. 马小敏.重庆大学 2017
[8]并行无线充电中的群组调度研究[D]. 李豪.华中科技大学 2017
[9]电磁式振动能量收集装置研究[D]. 王满州.浙江工业大学 2017
[10]非线性低频压电振动能量回收装置的研究[D]. 张浩.南京航空航天大学 2016
本文编号：2991129
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