效率增强和敏感宽带1Hz〜1kHz发电机通过回收汽车振动能量外文翻译资料

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效率增强和敏感宽带1Hz〜1kHz发电机通过回收汽车振动能量

毛翠芹1，傅祥祥1，孙太平2孙秀丽3，林彬彬林4，

孟黄4，陈春忠4，梅美丽5，苏清清5，赵振伦5，

文成秋5，刘瑞敏5，余生胜5，何嘉华5

1台湾新竹国立交通大学纳米技术研究所

2台湾南投国立大学电气工程系

3台湾台北大学材料科学与工程系

4台湾台北地震工程国家研究中心

5台湾新竹国家纳米器件实验室，yslai@ndl.org.tw，chho@ndl.org

摘要 - 基于可移动磁体的新颖设计两个相互无常的磁力没有严格的制造，我们第一次成功地展示了一个可生产的产品发电机效率显着提高宽带频率范围为1 Hz〜1 kHz，3D-colis可堆叠性用于输出电压的提高和回收振动汽车能量同时进行。 即使振动

频率低至1 Hz，两个数量级正常化功率的改善（功率的比例）以前提供的外力和线圈匝数）

可以获得报告。 此外，将我们的设备与成熟的加速度计芯片（MMA7361）表明提出的策略有利于收获振动能量确实驾驶汽车。 这个振动发电机内为人类提供了很高的应用潜力运动（1 Hz〜2 Hz），运动（5 Hz〜10 Hz）和汽车（10 Hz〜1 kHz）等。

介绍

有几种报告的能量收割机将不同的能源转换成可再生能源例如，热能[1〜2]，振动能[3〜10]，和太阳能[11〜12]。压电材料[13〜15]也是通过变形收获能量的候选人外观材料产生电信号。 Symko等人。 [1]设计了热声器件实现重用利用环境废热发电。这个器件必须在巨大的温度梯度下工作电量较高操作环境敏感性和较低的转换效率引入了限制热声装置。 B. Yang等[3]开发了一本小说多频能量收集机作为回收能源谐振模式为369 Hz，938 Hz和1184 Hz，分别。加尔谢夫等人[4]发表了振动桥梁能量采集器，具有可变频率特性（1Hz〜40Hz）。 C. Cepnik等人[5]报道说能量收割机采用优化的线接式微型线圈即可有效地产生输出功率。加尔谢夫等人[6]和R.N. Torah et al。 [7]开发了振动能量收割机转化环境振动实现电力可再生。一般来说，以常规振动为主具有刚性悬臂设计的能量收割机始终具有操作区域狭窄，转换效率差，

特别适用于振动较小的机械能频率（1 Hz〜10 Hz）。 Garnett等人[11]制作硅基器件表面的纳米线提高转换效率。效率显着可以通过纳米线结构来增强增强因为入射光的反射减少了。 Zhao et al。[12]利用硅的结构来增强吸收太阳能电池进一步的能力。所有报告的策略都可以

提供更高的转换效率。但是太阳能将受到环境因素的限制，如无阳光。该太阳能电池不适合24小时能量转换能力。 Z.L Wang等[13]报道了ZnO杂化物结构，其结合微纤维与纳米线，分布在衣服上，由人类发电步行。 R. Yang et al。 [14]利用ZnO的串联连接纳米线产生高输出电压作为器件挤压。 S. N. Cha et al。制造纳米多孔阵列在PVDF膜上将声波回收成电能。所有基于此方法的报告都有其本质的限制，例如，纳米线的相互碰撞和长期的操作会影响转换效率压电材料的滞后效应。只有振动式能量收集机适用于24小时操作只要存在机械振动，为例如，人体运动，运动和驾驶汽车所有报告的结果显示出可观的表现但在操作环境，材料方面有些短暂内在特征和更广泛的可检测频率范围。

在这项研究中，我们展示了一种新型的基于振动的具有人造不对称磁通的能量收集装置

和常规MEMS工艺中的可堆叠3D螺旋线圈。 同时，该设备具有以下优点：（1）宽带振动频率检测能力从1Hz至1 kHz，（2）高转换效率即使振动频率低至1Hz，（3）成本低。该

提出的能源收割机具有很高的需求潜力应用，如人体运动（1 Hz〜2 Hz），运动（5Hz〜10 Hz），汽车（10 Hz〜1 kHz）等。

制造和设备设计

图1示意性地示出了器件结构。该在这项工作中使用常规的NdFeB磁体来形成两个相互无常的磁力。固定磁铁和可动磁铁在“定子”和“转子”中扮演着角色电机。在稳定状态下，可移动的位置磁体将由产生的自然决定不同方向的静磁力。一旦设备利用传统的悬臂来检测振动行为，检测到的振动频率将受到共振的限制悬臂频率。外力冲击时装置，中央可动磁铁被迫产生金属线圈上的水平位移。根据法拉第定律，可动磁铁扫过金属线圈;它将引导磁场的扰动产生感应电流和电压。如果去除外力，中心磁铁的位移将逐渐减小因为摩擦。最后，中央可动磁铁返回初始位置，感应电流消失。在这项工作中，创造出新颖的器件结构宽带频率（1 Hz〜1 kHz），因为互相非磁性磁场结构不同常规刚性悬臂结构。图 2显示3D堆叠能力线圈模块（Top-View）的照片两个相互无限磁力的可动磁铁没有严格制造的力量（横截面视图），分别。每个线圈模块，通过常规制造基于Au的MEMS工艺与廉价的NdFeB磁性和

PMMA包括具有线宽的螺旋图案的金属布线0.16毫米，恒定间距0.32毫米。

图1

图1建议装置的横截面图。 根据法拉第的法律，电磁信号可以从可移动的磁铁扫描产生

超过3D堆叠线圈，因为外力影响我们的设备介绍磁场的扰动。图 2：顶视图和横截面视图的设备照片。

特征与讨论

图3显示了电压输出的分布变化载荷和振动频率进行调查最佳输出功率。根据测量结果，

振动频率越快，输出电压越高是因为磁场干扰的次数多金属线圈。值得一提的是我们的设备还是提供显着的电压信号，即使外部振动频率低至1Hz，除了广泛可检测的频率范围从1Hz至700Hz至少。对于验证输出功率能力，附加电阻加载是器件测试所必需的。一般来说，最高输出功率发生在阻抗匹配的条件下在设备和外部负载之间。在实验结果中，外部电阻为468kOmega;的器件具有最大值输出功率为1.25mu;W，1mu;W，215 nW和120 nW700Hz，30Hz，5Hz和1Hz的振动频率，分别。设备设计概念没有传统的刚性悬臂已经验证了更好的电气信号输出和可检测频率广泛基于常规MEMS工艺。振动能量收割机应适用于低振动频率应用人体运动（1 Hz〜5 Hz）或驾驶汽车（gt; 10 Hz）。

这项工作与报告的比较振动型发电机如图4所示。在这个图中，“FOM”的定义是归一化的功率（功率与外力和线圈的乘积之比）转）以估计设备性能与以前的研究。比较我们的设备与公布的结果，前者在1 Hz至1 kHz的宽带区域工作成功地由于设计了相互无意义的磁性领域代替传统的刚性悬臂结构。 没有关于操作频率是什么，例如低振动频率（1 Hz〜5 Hz）或（30 Hz〜50 Hz），我们设备有二阶三阶改善以前报告提供的归一化权力，分别。 虽然设备在更快的振动下运行频率范围从300 Hz到1 kHz，我们的设备还可以实现报告结果标准化功率的10倍。

图 3：变压器下电压输出的分布调查最佳外部载荷的振动频率。最大。 功率输出也在该图中标出。 欠阻抗匹配条件下，器件工作频率为700 Hz最大 功率1.25 uW，最大功率 电压800 mV。

图 4：创建的设备与报告的比较振动式发电机。 在这项研究中，该设备具有宽带（1 Hz〜1 kHz）敏感能力。 特别是设备低频（1 Hz〜5 Hz）的工作频率有两个提供的归一化功率提高了数量级从以前的报告。 我们设备的设计理念实现了从低频机械振动能量转换能量（人体运动或驾驶汽车的机械能）进入电能。

创建的设备不仅提供宽带操作范围成功，也取得突破在本研究中同时进行转化效率。对于验证我们设备的能量转换能力此外，我们安排了回收振动的实验驾驶汽车的能量。图。图5显示了原理图实验说明。将所提出的设备放入一个配有成熟加速度计芯片的中空箱（MMA7361），如图1所示。图5（a）。的目的加速度计提供检测到的外部信号从驾驶引起的机械加速度或振动用于记录机械振动的时间的汽车。对于加速度计中的电源要求，a电池也设置好了。完整的实验概念并且设置如图1所示。 5（b）。机械时驾驶汽车产生的振动，理想情况下提出的器件和加速度计芯片MMA7361将会将振动能量转化为电信号并进行记录机械振动分别同时进行。

图 5：机械回收实验示意图驾驶汽车振动能量。 提出的设备是放置在一个带有成熟加速度计芯片的空心箱中MMA7361。 提出的器件和加速度计芯片MMA7361将振动能量转化为电信号并进行记录机械振动分别同时进行。

实验测量结果

配置如图1所示。在图5中示出。 6。观察设计的设备提供的测量数据像加速度计产生的串行脉冲信号芯片MMA7361。同时，两个脉冲信号来自设计的设备和来自加速度计的设备对齐自然要沿着时间轴上的蓝色线标记。在稳态（约-0.6秒），汽车处于稳定状态并且不能产生任何不引入机械振动显着的电压输出。然后，随着汽车被驱赶颠簸的路（约-0.46秒〜0.3秒），我们的设备和加速度计MMA7361明显引入电气信号取决于驾驶汽车的振动。它

表明我们的设备可以转换机械振动将汽车引入可再生能源的能源成功。此外，提出的设备的设计理念包括相互虚拟的磁力和3D线圈也验证了实现宽带能量收割机。

图6：图5所示条件下的测量结果。（a）本工作中建议的设备。 （b）成熟的加速度计芯片

MMA7361。 根据图1的验证结果。 6，我们的设备可将汽车的振动能量转化为再利用的电气信号成功。 这两个同步信号，由...排列蓝色线，由加速度计MMA7361测量这项工作中的建议设备提供了设备的证据操作明显。

结论

基于两者之间的可移动磁体的新颖设计相互无限制的磁力无严格制造，我们第一次成功地展示了一个可生产的产品发电机效率显着提高宽带频率范围为1 Hz〜1 kHz，3D-colis可堆叠性

用于输出电压的提高和回收利用汽车振动能量同时进行。 即使振动频率低至1Hz，二级磁场正常化功率的提高的比例提供了外力和线圈匝数的乘积从以前的报告可以得到。 此外，比较我们具有成熟加速度计芯片（MMA7361）表明提出的策略有利于收获振动实际上驾驶汽车的能量。 这个振动的力量发电机反过来为应用提供了高潜力，如作为人体运动（1Hz〜2Hz），运动（5Hz〜10Hz），以及汽车（10 Hz〜1 kHz）等。

致谢

这项工作是由National Nano Device完成的实验室（NDL）设施，并由台湾国家科学理事会支持， 作者要感谢国家芯片实施中心（CIC）技术支持。

低成本MEMS陀螺仪和加速度计没有卡尔曼滤波器的角度的实现估计

摘要 - 这些天，测量的倾斜角度的精度是非常重要的，它总是一个挑战机器人应用。 MEMS（微机电系统）陀螺仪和加速度计已被广泛应用于测量沿轴的倾斜角。然而，各种研究强调

MEMS陀螺仪和加速度计有弱点方向准确。为了适应低精度数据从MEMS陀螺仪和加速度计需要一个过滤器其中来自两个传感器的数据将通过使用补充过滤器。因此，数字互补滤波器是以一种传感器的强度来开发用来克服其他传感器的弱点相互补充将演示过滤使用MEMS陀螺仪和加速度计在不同的位置在整个测量过程中进行分析和角度估计通过补充过滤器。从仿真结果可以看出互补过滤方法是通过响应来实现的精度为0〜90度，与实际位置相同因子值为0.97。此外，它对水平不敏感加速度或陀螺仪漂移与微控制器友好过滤系统。

1. 介绍

陀螺仪和加速度计已被广泛应用测量沿着轴的倾斜角。两者都被认可近年来，尤其是在电信系统中其低成本惯性系统的优点，体积小，体积小功耗并且往往旨在有能力测量角[1] [2] [3]。具体来说，陀螺仪和加速度计是在无人驾驶飞行器的应用中非常有用，汽车和移动机器人[4] [5] [6]。陀螺仪通常用于测量角速率旋转[7] [8] [9]其中陀螺仪将提供速率随着时间（角速度）的方向角度的变化每秒测量单位数。角速度信号必须结合时间来获得可读性角度角度[10] [11]。整合过程随着时间的推移，角速率将产生漂移[12]。这些问题这是由于随着时间的推移而完成的不归零值[13] [14] [15] [16]。这个观点是由[17] [18] [19]支持，另外还有错误受时间影响，温度和随机漂移。加速度计设计用于测量加速度力量可以通过测量来确定方向的重力。到目前为止，各种研究相关的加速度计更多地关注生物医学领域[20] [21] [22] [23]，但只有小型研究工作加速度计专门用于角度估计[24]。根据[25]，为了测量绝对角度如果翻译力量被包含在内，这绝对至关重要加速度计的输出信号。加速度计有一个很好的低频准确度研究表明加速度计可以感应静态和动态任何给定时间的加速。但是，它缺乏哪里主要受振动应力影响，包括非常敏感运动造成的加速力。振动会导致加速度计防止失真并引起信号漂移

的比例因子和偏差值[26]。获得角度的典型做法是双重整合测得的角加速度。但是，[27] [28]分双重整合产生漂移。参考[29] [30]提出了加入卡尔曼的预防方法过滤到更有效的集成程序

减少漂移2016国际电气电子与系统工程进展大会，2016年11月14 - 16日，布城，马来西亚。

与[29] [30]相反，[31] [32]认为卡尔曼滤波器的数学算法太复杂了其计算时间长，编程难度大在某些8位微控制器上。此外，这个观点是由[32]支持，并提出角度估计实际上可以实现使用较少的传感器和很多更简单的算法。因此，建立上述声明，的目的项目是实现高精度的估计定位角度通过实现数字互补过滤。有利的证明是不太复杂的算法，快速估计角度，管理固定噪声，漂移，和包括较少CPU的水平加速度依赖性[33] [34]。开发的

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