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有效克服带宽问题？宽带机械能量收集器，振动特性与振动能量

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文/清月夜话

编辑/清月夜话

能量收集市场日益扩大，这主要归功于在不同领域实施的低功耗传感器数量，比如人体、建筑、汽车引擎等等。

这些传感器大多由电池供电，但这种技术的主要缺点是需要不断监控其电荷状态、充电和更换，而这在大多数情况下都是昂贵的。

因此为了克服这些限制，最有前途的解决方案之一就是利用系统周围的能量来供电。

在我们的环境中，可以找到许多类型的可回收能量，例如：机械能、热能和辐射能。

此次专门讨论机械能，特别是由汽车、冰箱、机械引擎等产生的机械振动能量。机械到电能转换器可以是电磁、静电或压电的。

在电磁转换中，利用振动来创建线圈和永久磁铁之间的相对运动。在静电换能中，利用振动来产生可变电容。

在压电换能中，利用振动对压电材料施加机械应力。实际上振动能量收集器包括3个主要组件。

转换链的第一阶段是机械到机械转换器，通常基于机械谐振系统。这个转换器将输入振动转换成谐振器地震质量和振动源之间的相对位移。

此外通过使用谐振机制，相对位移幅度可以比振动源位移幅度大，从而增加从振动源提取的机械功率。

然后通过专用的机械到电能转换器，将放大的相对位移转换成电能。最后电到电能转换器将这种电能转换成稳定的直流电压，能够供应电路。

能量收集器的效率与转换链的每个阶段密切相关。此外每个阶段对其他阶段都有影响。因此提高振动能量收集器效率应考虑到所有阶段以及它们之间的关系。

该转换器的首要目标是将振动转化为相对位移，以激活机械到电能转换器的机械输入。

为了实现这一点，需要一个地震质量，并且从振动中可以产生的机械功率与该质量以及其大小成正比。

这个地震质量是主要开发系统的功率密度能力的主要限制因素。为了放大这个地震质量的惯性效应，必须使用共振效应，也就是使用谐振器。

实际上这种装置通常被建模为质量弹簧系统，与振动源相连接，并由机械到电能转换器和机械损耗进行阻尼。

机械到机械转换器的效率可以通过振动位移幅度的放大增益来衡量。然而放大增益与谐振器的频带宽度成反比，使得系统对输入振动的任何变化都非常敏感。

这种变化通常会发生，尤其是在由汽车引擎产生的振动中，这种情况下频率取决于发动机转速，而发动机转速随时间可能会发生变化。

此外由于材料老化，振动能量收集器的谐振频率也可能会随时间变化。事实上由于能量收集器的材料受到持续的机械应力作用，机械刚度会随着时间改变，从而影响谐振频率。

实际上其中几种解决方案可以在不影响收集器效率和振动能量收集器的功率平衡的情况下实现自动适应。

一旦振动转化为两个元素之间的放大相对位移，这个位移就会通过电磁、静电或压电原理转化为电能。

这个转换器的效率取决于其机械和电气损失，以及与机械源和电气负载之间的良好阻抗匹配。为了提高转换器的效率，已经开发了许多方法，这些方法主要取决于转换器的类型，其中大部分与系统尺寸和振动源特性有关。

当提取的电能最大化时，电转换功率等于机械结构中的机械耗散功率。然而机械阻尼取决于所使用的材料，而电阻尼取决于转换功率和输出电阻。

当振动频率和幅度已知且固定时，可以设计一个收集器来适应优化条件。然而当振动幅度改变时，这种相等条件不再成立，因为阻尼力在振动幅度变化时具有不同的变化特性，因此振动能量收集器的效率会降低。

目前只有一项研究是以此为视角进行的，即实时调整电气阻尼力，以保持电能提取的最佳状态。

现有技术中提出了许多解决方案，在克服谐振频率与振动频率之间的偏移而导致的系统降级问题。

相关工作人员提出了一种电静态转换器，具有较高的电耦合系数，以扩展谐振峰。制造的原型能够回收低于100 Hz的机械振动，50 Hz时的全局转换效率为60%。

实际上这种结构的主要缺点是转换器的品质因数，通过增加电阻尼系数来扩展谐振峰，品质因数则减小，因此当输入振动频率达到谐振频率时，相对于具有较高品质因数的系统，所收集的能量量相对较小。

为了在不永久降低品质因数的情况下利用这个解决方案，并在谐振频率等于振动频率时保持与高品质因数系统相同的效率，我们应该实时调整电耦合，然后调整电阻尼。

当振动输入频率等于谐振频率时，电耦合可能非常低，从而实现完全谐振效果，而当振动频率发生变化时，可以增加耦合以达到更高的输出功率。

实际上如果机械到电转换器能够达到高的电机耦合，通过使输出电阻不匹配，可以很容易地暂时降低这种耦合。

科研人员提出使用多模式结构来扩展带宽，该结构由几个悬臂组成。每个悬臂都有一个定义好的谐振频率。

然而对于给定的振动频率，只有一个悬臂会在其谐振频率下被激发，而其他所有悬臂只会产生少量能量，这限制了整个系统的功率密度。

其他人提出了一种利用机械非线性应变刚度的能量收集装置，使用一个夹紧-夹紧梁。对于这种系统，刚度取决于振动源的幅度和频率。

因此良好设计的结构可以使振动频率与谐振频率适配。在这项工作中，他们报告了夹紧-夹紧梁装置在输入加速度为2g时，谐振频率调谐比例超过36%。

这个解决方案允许以被动动态的方式调节谐振频率。然而这种技术也有一些局限性：高谐振频率调谐比例需要高加速度。

另外非线性振动能量收集器的频率响应具有滞后特性，这意味着当频率超过特定值时，输出功率会急剧下降，除非振动频率降到振动能量收集器的起始频率，否则无法回到先前的点。

此外该原则效率非常依赖于输入振动幅度。对于低幅度，非线性效应有限。相反对于较大的输入位移，非线性效应限制了相对位移，从而限制了输出功率。

与此同时另外一组提出了一种调谐谐振频率的技术，即通过手动施加轴向预载来改变谐振频率并与振动源的频率匹配。

使用这种技术，开发的系统能够在未加载谐振频率的基础上调整约24%的谐振频率。这个解决方案仅在振动频率事先已知且不容易随时间变化的情况下是可行的，因为它允许在实施振动能量收集器之前调整正确的谐振频率。

要想获得良好的谐振频率动态，必须采用主动解决方案。然而这种技术的主要缺点是转换器部分输出功率与调谐谐振频率所需的功率之间的负功率平衡。

研究结果表明，可以通过在大范围系统中实现正功率平衡，这对于自主系统的发展非常有意义。

可在这两种情况下，正功率平衡是通过在调谐调整频率或调谐比率之间做出妥协来实现的。以此得出结论，从这个角度来看还有很多工作要做，以实现一个完整的宽带收集器，能够应用在振动频率可能随时间变化而无法降低输出功率的环境中。

在该实验室中，已经开发了三种不同的解决方案。下一部分详细介绍了这三种解决方案，第一种解决方案基于在谐振点之外放大生成的相对位移，适用于前面描述的两种振动类型。第二和第三种解决方案是基于谐振频率的主动调谐，适用于第二种振动类型。

通过在振动能量收集器中引入回弹机制，可以帮助在谐振点外从环境中提取更多的能量，适用于谐波信号和随机振动。

为了理解这种技术的操作原理，我们将更详细地研究在谐振点或接近谐振点时振动能量收集器的机械行为。

考虑一个由一个具有刚度k的弹簧组成的转换器的等效模型，从一侧连接到一个地震质量m，从另一侧连接到振动源，质量也通过阻尼器连接到振动源。

在谐振时振动源的速度和弹簧对振动源施加的力是同相的。换句话说，振动源向悬臂提供机械功，而不是反过来。

所以最大的机械能从振动源传递到谐振系统中，因此系统能够从振动源中提取更多的能量，使得相对位移更大，这意味着品质因数很高。

然而在谐振点外，振动源的位移和弹簧对支撑结构的作用力不同步，从而降低了平均功率传递到地震质量。因此只有很少的能量被质量弹簧系统从振动源吸收。

通过考虑上述想法，可以通过在振动源速度与地震质量速度相反的情况下，使地震质量回弹与振动源同步，来确保在谐振点外从环境中吸收更多的机械能。

地震质量的动能增益与振动源的速度和初始地震质量速度紧密相关，将回弹同步到振动源的速度极值更加方便。

这将放大地震质量的相对速度，从而放大从振动源吸收的能量。从振动源吸收的能量逐渐增加，地震质量速度越高，从振动源提取的机械能越高。

当地震质量的速度更大时，在回弹过程中对振动源施加的力也更大，因此从振动源提取的机械功也更大。

显然这种放大机制有一个物理上的限制，这个限制由结构的阻尼系数决定；一个具有高品质因数的结构将允许更多的放大，反之亦然，就像谐振机制一样。

为了验证这个原理，回弹机制被引入到一个质量弹簧收集器系统中。弹簧k1代表具有最小弹簧刚度的系统导向。

通过使用两个执行器Act1和Act2，回弹通过将振动源通过较大刚度弹簧k2连接到地震质量来实现。

当这些执行器被激活时，谐振系统的机械刚度会发生变化，所以系统将具有两个固有频率：fr1，与弹簧k2未连接时的刚度k1相关，以及fr2，与弹簧k2连接时的刚度k2相关。

这样当振动源速度与地震质量速度相反时，由于回弹的同步作用，可以在谐振点外从环境中吸收更多的机械能。

在谐振点外，系统会自动调整到具有较高品质因数的状态，从而提高能量转换效率。通过调节回弹机制的参数和控制器，可以根据振动源的变化实现动态适应谐振频率。

这种方式实现了谐振点外的能量收集，是一种非常有前景的方法，可以应用于各种类型的振动环境。

此外其他方面的研究工作还涉及到使用无源电感器的方法来实现振动能量收集器的宽带谐振，以及通过动态电感器的方法来实现在振动频率变化的情况下保持谐振频率的适应性。

总的来说通过在谐振点外引入回弹机制，可以在不同类型的振动环境下更高效地从环境中收集机械能。

这一技术的研究将有助于开发更加高效、适应性更强的振动能量收集器，为能量回收和节能提供新的解决方案。

对于能量收集领域的发展来说，这是一项重要的研究工作，也将为未来的能源利用和环境保护做出贡献。

通过研究，人们发现实时追踪振动频率是非常必要的。适应输入振动特性与振动能量收集器的机械特性之间的问题对于开发强大而高效的振动能量收集器至关重要。

在主动技术中，驱动电子部分是最关键的，因为它通常需要大量的能量。CEA-Leti实验室的初步结果显示，谐振频率调整可以显著增加净输出功率，而消耗的电力则相对较小。

不过振动能量收集器系统的成功与频率带宽密切相关，因此在有效克服带宽问题带来的限制之前，这类系统在大规模上的商业化可能性仍然较低。而采用主动技术来实现正功率平衡让科研人员对振动能量收集器的未来有了更加灵活的希望。

巡天观雨有“双睛”——我国首套星载Ku、Ka双频降水测量雷达诞生记

风云三号G星在轨示意图。图片来源：中国航天科技集团九院704所

听到火箭点火升空的轰响，正在测试厂房检查数据的杨润峰百感交集。

“就像养育多年的孩子，突然间真的离开你了。”日前接受科技日报记者采访时，他这样回忆雷达上天时的感觉。

今年4月16日，我国首颗降水测量专用卫星风云三号G星发射升空，其主载荷是由中国航天科技集团九院704所研制的我国首套星载Ku、Ka双频降水测量雷达。截至记者发稿时，该雷达凭借犀利的“双睛”，已成功探测到全球中低纬度地区降水的三维精细结构，捕捉到“玛娃”“泰利”等台风降雨系统的三维立体结构。在8月份的华北暴雨雨情中，该雷达精准探测到降水三维精细结构信息，为防灾减灾提供了宝贵的观测数据。

作为704所风云三号G星降水测量雷达主任设计师，杨润峰和同事们为该产品辛勤奋斗了17年。当年意气风发的青年，如今已生出华发。

“双管齐下”造雷达

我国处于北太平洋西部台风活动带，台风暴雨内涝一直是部分地区面临的主要自然灾害。

获取降水资料，过去主要借助雨量计、地基雷达等手段，但受设备数量和分布位置限制，大范围高空间分辨率的地面降水信息很难得到。1997年，美日联合发射装载降水雷达的TRMM（热带降雨测量任务）卫星，开创了星载雷达探测降水的先河，也为我国新一代低轨风云气象卫星发展提供了借鉴思路。

21世纪初，704所科研人员开始搜集材料，对星载降水雷达开展前期研究。他们敏锐地觉察到，相比TRMM卫星所用的单频雷达，双频降水雷达在实际应用中效果更好。

“Ku、Ka双频降水测量雷达，能将雷达观测分辨率高和卫星观测范围广的优势结合起来。”704所微波遥感技术研究室主任江柏森介绍，Ku频段有利于探测强降水，Ka频段有利于探测弱降水，两者同步工作可以扩大降水探测能力，哪怕是每小时0.2毫米的毛毛雨，也能精准感知。

此外，利用降水粒子对不同频段雷达信号散射不同的特性，双频测量可以分辨雨、雪、冰雹等，探测降水过程中的液态、固态变化，这在气象应用中十分重要。

当时，美日联合实施的全球降水观测计划（GPM）启动不久，星载双频降水雷达在国际上也处于探索阶段。“那时我们就想，要做就做最好。”江柏森说。

在2006年举办的气象卫星发展论坛上，研制国产降水测量卫星成为共识。704所奋勇“揭榜”，扛下了卫星主载荷降水测量雷达的研制重任。

千方百计做“标尺”

这是我国首次研制星载降水测量雷达，方向新、技术也新，科研工作面临诸多挑战。

“该雷达各项指标要求非常高，有些要求在当时国内相控阵雷达产品上前所未有，设计、加工、制造困难重重。”杨润峰说。

更难的是该雷达的定量化要求。杨润峰介绍，以等效辐射功率为例，常规的雷达只是要求辐射功率大于指标即可，至于具体是多少通常不作要求。但对定量化雷达来说，必须对雷达系统参数作精确定标，它要成为一把标尺，测量强度是多少、强度波动是多少，都要有衡量标准。

这是研制团队第一次做定量化雷达。怎样把“尺”做准，他们只能慢慢摸索。

2010年7月，杨润峰和同事们带着产品样机到四川进行测试调试。正值盛夏，天气闷热潮湿，蚊虫更是肆虐。杨润峰清楚地记得，野外调试时，一位同事没戴手套，仅右手手背上就被叮了26个包。

当年9月，测试调试初步完成，研制团队又马不停蹄奔赴江苏盐城，开展机载挂飞试验。

江柏森介绍，机载挂飞试验需要同时具备几个条件：要有降水，又不至于影响飞行；观测高度要在6000米以上；天上要有气象卫星过境，地面也要布设观测设备，通过天、空、地一体观测，才能对数据进行比对验证。

达到理想条件很难。江柏森穿着羽绒服、吸着氧，跟飞了7次，大多数无功而返。

与此同时，杨润峰和同事们租住在盐城市郊一个村庄里，在房顶上架满观测设备。由于TRMM卫星总是凌晨过境，他们只好半夜工作。奇怪的举动，一度让房东和村民们异常困惑。

经过两个多月的挂飞试验，研制团队终于获得了所需数据，为后续工程化研制奠定了基础。

明察秋毫“辨”雨情

造雷达难，要让它胜任天上的工作更不易。

与大多数星载雷达间歇性工作不同，降水测量雷达需要在风云三号G星的6年设计寿命内不间断开机，意味着它至少要连续工作约5.3万小时。其可靠性和长寿命要求，成为研制团队面临的难题。

杨润峰带领设计团队，在各种制约因素中探寻最佳平衡——通过优化算法和资源配置，弥补高可靠性芯片处理能力弱的问题；在满足重量、体积、功耗等要求的同时，对系统级、单机级、软件级等方面进行冗余备份设计。

相比地面雷达，星载雷达是从天上往下看，面临很多新问题，例如地表回波会对探测形成干扰。江柏森说，地表回波信号比降水回波信号强百万倍，如果不能很好地将其分离、消除，降水信号就测不准甚至测不到。对此，研制团队开展了大量创新攻关。

在该雷达面阵上，密集排列着一行行缝隙，电磁波就从这些缝隙里辐射出来。江柏森介绍，这数万个波导缝隙由精密加工设备切成，其宽度、深度、角度各不相同，由此可以控制阵面中不同位置电磁波能量的大小和相位。这样的设计能有效抑制干扰，解决很多在天上观测带来的问题。

相比美日GPM卫星，风云三号G星性能优势明显。“在观测幅宽上，我们的Ku、Ka波段雷达分别高出20%和140%；相同的灵敏度条件下，我们的‘CT’每250米扫描一层，精细程度优一倍。”江柏森说。

目前，降水测量雷达在轨测试运行稳定，研制人员手里的工作却丝毫没有松懈。在密切关注雷达在轨状态的同时，他们已投入到其他星载降水测量雷达的研制，以及下一代降水测量雷达的攻关中。

“气象工作与生命安全、生产发展、生态环境紧密相关，是事关人民幸福安康的‘国之大者’。”704所所长于勇对记者说，“双频降水测量雷达是我们迈出的第一步，未来我们将继续在微波主动气象领域精耕细作，不断推出更先进的气象遥感仪器，为我国迈向‘气象强国’作出更大的贡献！”（记者 付毅飞）

来源：科技日报

我的世界植物大战僵尸整合包生存第一期#植物大战僵尸

大家好，我想试试挑战极限模式的植物大战僵尸。不过，我听说这个整合包的玩法和经典模式不同，所以我想先试试生存模式。这是什么生存？这就是我们小时候玩的植物大战僵尸游戏啊！不过，据我了解，这个整合包的玩法可能会有所不同。

这个整合包的玩法是什么呢？首先，我们需要找到戴夫的房子，然后再去寻找植物卡。找到植物卡后，我们需要合成八合一。这个整合包的玩法其实还是比较容易理解的。首先，我们需要创建一个北辞植物大战僵尸更多世界的选项。我已经关闭了作弊模式，选择了随机种子。这个整合包是1.16.5版本。

现在，我们需要找到戴夫。如果我们遇到了僵户，只需要站在那里不要动，让僵户吃掉我们的脑子，我们就赢了。这部分帮助是僵尸送给我们的。非常感谢！我们还可以看到玩家属性、智慧树等级、阳光树、能量豆树和能量豆。这些都非常容易理解吧。除此之外，我们还需要使用召唤卡。我也曾经看过僵尸入侵的视频，我们需要先找到戴夫的房子，然后完成木镐的任务。这是什么？我还没有汉化，不太明白。

我直接把它砸碎了，我也有点饿了。这个东西可以吃吗？这是什么？这让我感到反胃。还有小地图模组，我们需要收集食物，然后前往戴夫的房子。为什么不尝试挑战极限模式呢？你们可能不知道，也可能没有注意到，这个整合包已经存在很久了。

up主已经尝试过这个整合包，我也看过这个视频，飞贼僵尸真的很可怕，他们会抓住你并一直追击你。

他们会一直追着你，直到把你吃掉。这真的很可怕。我怕他们会抓住我，所以我不敢让他们抓住。这是什么？这是一个坚果树叶，我把它挖掉了，会不会掉坚果呢？这不是什么大事。我们需要去寻找戴夫。戴夫的房子有很多个。我们需要找到戴夫。你在哪里？戴夫的房子有很多个。我们需要找到戴夫。戴夫在哪里？这是什么？这是一个猎人的营地吗？无土栽培是指不需要土壤也能种植植物，这是一个非常好的功能，但是我们不能随意使用，我们需要点赞哦！这个东西需要烤多久？我好了，我们需要去找戴夫。能量豆应该怎么使用呢？我需要看看按键，然后去找戴夫。这个游戏只有英文，还有作弊模式开关。我们需要找到戴夫。

现在，我们要开始冒险了，我们需要去僵尸小屋。对，我们需要去僵尸小屋。我们需要前往戴夫的别墅。是的，我们需要去戴夫的别墅。让我们一起展示一下跑酷的实力吧！这个兄弟真的很厉害，我们应该向他学习。敌人太强了，我们需要小心。我还得到了一颗绿宝石和一把剑。为什么不给我一个盾呢？兄弟，这颗绿宝石和剑都不是我想要的，我需要一个盾。

这是我的要求。我需要一个盾。这不是我想要的东西。哥，你给我的东西都不是我想要的，我需要一个盾。这不是我想要的东西。这是我的要求。这个桶真是太厉害了，它能装下很多东西，兄弟们，你们明白我的意思吗？我之前演示过，真的非常非常厉害。如果现在还没有改，那就太可惜了。这个什么东西？注意，我点燃了TNT，但是却没有听到爆炸声。你这个家伙真是太阴险了，我被炸的时候被吓了一跳。还好东西还在，这真是太好了。先睡一觉吧，兄弟们，如果玩的是极限生存的话，刚刚可能就结束了。不过，这也算是白嫖了不少东西。

这个地图还有很多地方可以探索，但是戴夫的房子在哪里呢？为什么还有人在制作凋零玫瑰呢？制作凋零玫瑰需要用到凋零玫瑰，而召唤最终boss也需要它，可惜我的食物只剩下两个面包了。我来了，戴夫，我好像走错路了。这个看起来像，还有这个，我们去看看吧。我走错路了，我一直在跑，我真的服了。我一直在跑，但是没有追我，我真的很担心。好孩子不能这样做，我们要理智一点。我跑了这么久，只找到了这个东西，真的是太搞笑了。天啊，我被吓了一跳，这是怎么回事？这几个地方看起来像是营地，我们可以在这里设置一个重生点，然后不停地摔下去，最后只剩下半颗星。但是为什么我掉进水里了？为什么我又找到了羊和羊肉排？这真的是太奇怪了，我一开始并没有找到这些东西。戴夫，你的商店在哪里？僵尸小屋，寒冰射手的5块钱，我知道这里也有一个，但是我不知道戴夫家在哪里。如果有很多人的话，我们可以一起探索，我可以教你们一个小技巧。这个方法还不错，就是让羊坐在船上，然后右键单击船，这样羊就会一直在上面刷新。但是只能坐在船上的东西才能这样做。

我现在真的怀疑，我玩的是不是纯原版，因为我一直找不到戴夫的房子。太阳已经落山了，我还是没有找到，今天真是太失望了。第一期就到这里，明天再继续寻找吧。在视频的最后，我想对戴夫说一句话：如果你会建房子，就去建吧；如果你不会，就不要建了。我找了这么长时间还没有找到，我开始怀疑我是不是没有开启生成模式。虽然这里是随机生成的，但是我好像过了一个世纪，真的是太搞笑了。所以，如果你能建房子，就去建吧；如果你不能，就不要浪费时间了。谢谢你母亲的。

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