基于反卷积技术的重叠太赫兹波分离方法在多层薄膜厚度测量中的应用

《Sensors and Actuators A: Physical》：Deconvolution Based Separation of Overlapping Terahertz Wave for Multilayer Thin film Thickness Measurement

电磁振动能量收集器利用铁磁材料和线圈将机械振动转化为电能，通过有限元素法优化磁场分布和机械应力，设计出采用矩形铁梁和Galfenol层的简单结构，在40Hz共振频率下实现2.12mW/cm3的峰值功率密度，性能优于部分复杂结构，验证了磁-机耦合优化的有效性。

　　电磁振动能量收集器在为无线和低功耗电子设备供电方面被广泛研究，因其成本低廉且结构稳固的特性。这类设备的核心原理基于法拉第电磁感应定律，即通过机械振动改变磁体内部的磁场分布，从而在拾取线圈中产生电动势（EMF）。在基于悬臂梁的设计中，大多数能量收集器采用矩形、U型或V型梁结构，并与主动材料、线圈和永磁体结合，但其复杂度和效率存在较大差异。本文提出了一种基于矩形铁悬臂梁和粘附Galfenol层以及两个立方磁体的磁致伸缩能量收集器，旨在收集单向振动能量。该设计通过有限元仿真（FEM）和实验测试进行优化，展现了良好的性能。

### 背景与重要性

能量收集，又称功率收集，是一种从环境中各种来源获取并转换为可用电能的技术。这种技术使得自主、节能的系统得以发展，减少了对电池或外部电源的依赖。能量收集器在无线传感器节点、射频识别（RFID）系统以及部署在偏远或难以接触区域的低功耗电子设备中特别有用，对长期的环境可持续性具有积极贡献。在各种环境能源来源中，如光能、温度梯度和气流等，基于振动的能量收集技术因其在交通系统、民用基础设施和工业机械中广泛存在而备受关注，尤其是在低频范围（1–100 Hz）内。

尽管其他转换机制如静电、摩擦电和压电方法在某些方面表现出色，但它们通常面临输出阻抗高、性能退化或在低频下效率低下的问题。相比之下，电磁能量收集器具有良好的鲁棒性、机械简单性以及适合低频操作的特性。然而，它们的电压输出通常受到限制，且性能高度依赖于几何结构、共振频率和磁场分布的优化。

### 设计与优化

本研究中提出的磁致伸缩能量收集器采用了矩形铁悬臂梁结构，并在其上粘附了一层Galfenol（Fe-Ga合金）。Galfenol是一种能够将机械应力转化为磁化变化的材料，当其与附近的线圈耦合时，可以依据法拉第定律产生电压。为了最大化能量转换效率，本研究通过FEM仿真确定了Galfenol的最佳工作条件，即机械应力和磁场分布的最优配置。

在磁性仿真方面，研究者利用FEM分析了Galfenol层内的磁场分布，以确保其在最佳偏置磁场范围内运行。通过调整永磁体的尺寸，研究者找到了实现最优磁致伸缩偏置磁场（约8 kA/m）的配置。这种磁场优化对于提升能量收集器的性能至关重要，因为磁偏置场的强度直接影响材料的磁化变化和最终的电压输出。

在机械仿真方面，研究者计算了悬臂梁在共振状态下的应力分布。通过调整磁体的尺寸和位置，以及悬臂梁的几何参数，研究者确保了最佳的共振频率（约40 Hz）和应力水平（约15 MPa）。这些仿真结果与实验数据相吻合，验证了模型的可靠性，并为实际设计提供了指导。

### 实验验证

基于仿真结果，研究者制造并测试了原型设备。通过使用振动台（LDS V201）和激光传感器（Micro-Epsilon optoNCDT 1320–10）对设备进行实验测试，研究者测量了不同配置下的振动幅度和电压输出。实验结果表明，当磁体尺寸为6 mm和7 mm时，原型设备在共振频率为40 Hz时实现了最大电压输出，约为580 mV。

此外，研究者还分析了线圈几何形状对电压输出的影响。结果显示，线圈长度和匝数的调整显著影响了设备的性能。通过实验验证，研究者发现10.5 mm长、5000匝的线圈配置能够实现更高的电压输出，而更长的线圈（如21 mm）则由于包含非最优磁场区域和更高的电阻，导致电压输出降低。因此，优化线圈长度和匝数对于提高能量收集效率至关重要。

### 性能评估与比较

为了评估设备的性能，研究者计算了其在不同负载电阻下的功率密度。实验结果显示，当负载电阻为1000 Ω时，设备的峰值功率密度达到了2.12 mW/cm3，平均功率密度为0.73 mW/cm3。这一结果在性能上与许多更复杂的磁致伸缩能量收集器相当，甚至在某些情况下表现更优。例如，与采用U型结构的磁致伸缩能量收集器相比，该设备在较低的共振频率下仍能实现较高的功率密度。

此外，研究者还与其他已有的磁致伸缩能量收集器进行了比较，如Zucca等人提出的基于Galfenol的设备和Deng等人采用Terfenol-D材料的装置。尽管这些设备在某些方面具有更高的功率输出，但它们通常需要更复杂的结构和更高的机械应力，而本文提出的设备在简单性和可扩展性方面具有显著优势。

### 结论与展望

综上所述，本文提出了一种基于矩形铁悬臂梁和Galfenol层的磁致伸缩能量收集器，并通过FEM仿真和实验测试对其性能进行了全面评估。该设备在40 Hz共振频率下实现了2.12 mW/cm3的峰值功率密度，展示了其在低频振动环境中的强大潜力。通过结合磁性和机械仿真，研究者不仅优化了设备的设计，还减少了实验迭代的次数，提高了设计效率。

该设备的简单结构和高功率密度使其成为一种有前景的解决方案，能够为自主低功耗电子设备提供稳定的电力。未来的研究可以进一步探索不同磁致伸缩材料的性能，以及如何通过优化磁体位置和线圈配置来提升设备的效率。此外，该设备的紧凑设计使其易于集成到各种传感器和物联网（IoT）设备中，从而拓宽其应用范围。通过持续的优化和创新，磁致伸缩能量收集器有望在未来成为一种高效、经济的能源解决方案。