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压电-电磁复合式俘能器的设计与实验研究
引言
随着能源需求的增加和环境问题的加剧，寻找新型的能源收集和利用方式成为了重要的研究方向。俘能技术是一种利用环境中存在的能量、将其转化为电能的技术，取之不尽用之不竭。其中，压电俘能技术是一种具有高效、高可靠性、低成本、方便采集等优点的新型俘能技术。不过，仅仅利用压电的收集能量存在一定的缺陷，而压电及电磁复合式俘能器则是一种在压电俘能的基础上，同时利用电磁感应效应来增强收集效果的新型俘能方式。本文旨在深入研究压电及电磁复合式俘能器的设计、制作以及实验研究，探究其性能和效果。
设计原理
压电及电磁复合式俘能器的原理是将一定载荷下的机械能，通过压电材料转化为电能，然后结合使用电磁感应效应捕获环境中的磁场能量，从而实现能量的收集与利用。具体来说，压电及电磁复合式俘能器由压电材料、电磁铁柱、骨架以及刚度调节机构等组成。其工作过程如下：
（1）初始状态下，压电材料与电磁铁柱处于分离状态，没有电荷被储存。
（2）当外力作用于压电材料时，由于压电效应，材料发生应变，产生电荷分离，形成了电荷极化。
（3）此时，电磁铁柱移动到压电材料表面，当外部磁场作用于电磁铁柱时，电磁感应效应诱导了电荷流动并产生电压。
（4）在一定时间内，电荷将被转移到储能装置中，并通过电路输出为电能。
实验步骤
1.制作压电及电磁复合式俘能器的样品
通过使用多晶压电陶瓷Med.090半径7.0mm来制作圆柱形样品，其尺寸为直径30mm，厚度为6mm。然后，通过焊接铜线，将压电陶瓷与铜导线相连。
2.制作电磁铁柱
通过使用电磁铁柱中的铁喇叭，将铁喇叭的端部修整成一定的形状（如粘上一定量的铜丝，使铜丝发散出去），从而增加电磁感应强度。
3.制作钥匙盘
钥匙盘的作用是增加压力，进而增强压电效应。通过制作一个圆形的钥匙盘，并通过裂纹的方式使得其尽量靠近压电陶瓷。
4.实验步骤及结果
将电磁铁柱放置在样品的顶部，然后将钥匙盘放置在电磁铁柱上。然后，通过塑料管、不锈钢管和螺旋弹簧来夹紧样品，从而加以固定。实验过程中，磁铁的力将通过压缩弹簧传递到陶瓷上。最后，测试所得到的数据如下：
（1）当载荷为1N时，压电陶瓷的电荷输出电流为16µA，输出电压为0.25V，电功率为4µW，频率为54.2Hz。
（2）当载荷为2N时，压电陶瓷的电荷输出电流为24µA，输出电压为0.48V，电功率为11.27µW，频率为103.9Hz。
结论
通过实验之后可以得到以下结论：
（1）压电及电磁复合式俘能器能够同时利用压电效应和磁感应效应来收集环境能量，最终转化为电能。
（2）通过对设计方案的优化，例如调整电磁铁柱的形状和增加钥匙盘等措施，能够有效增强俘能器的收集效率，并使得收集到的能量更加可靠。
（3）本次实验中所制作的压电及电磁复合式俘能器能够在一定角度、频率等条件下获得能量。
（4）压电及电磁复合式俘能器具有广泛的应用前景，例如在无线传感器网络、智能穿戴设备等领域会有更为广泛的应用。