振动式压电微型发电机及其在无线传感网络中的应用

摘要

随着微机电系统(MEMS)技术的进步和无线通讯技术的发展，无线传感网络技术得到迅猛发展，电池等传统电源已经不能满足无线传感网络技术对小体积、长寿命、免维护和高能量密度的电源的需求，微电源已经成为无线传感网络技术发展与应用的技术瓶颈。振动式压电微型发电机可以将环境中的振动能转换为电能，为无线传感网络节点等供电，相关研究具有重要科学意义和广阔应用前景。
　　 本论文在国家“863”重大专项项目资助下，在分析振动式微型发电机国内外研究现状与发展趋势基础上，对振动式压电微型发电机的相关理论、制作工艺、电源管理电路和应用技术等进行了研究，成功地将悬臂梁振动式压电微型发电机应用到无线传感网络系统。本文主要研究工作如下：
　　 (1)在查阅大量文献资料基础上，分析了微型振动式发电机，特别是振动式压电微型发电机的国内外研究现状和发展趋势；
　　 (2)对悬臂梁振动式压电微型发电机Roundy模型进行了修正，扩大了模型应用范围，同时推导出利用转动发电的悬臂梁振动式压电微型发电机理论模型，有限元分析和实验表明，本文的模型比Roundy模型精度更高；
　　 (3)根据无线传感网络的工作特点和对电源的要求，设计研制出一种新型微功耗动态电源管理电路，能满足连续振动环境中微功耗电子器件、传感器或间歇式较大功耗遥测电路供电的要求；
　　 (4)研究了振动式压电微型发电机的关键加工技术，研制出振动式压电微型发电机原理样机，并进行了性能测试；
　　 (5)实验表明：由于汽车轮胎振动与车速、路况等密切相关，采用置于汽车轮胎上的振动式压电微型发电机为汽车胎压检测系统(TPMS)供电尚待深入研究，而置于轮船发动机上的振动式压电微型发电机可以成功地为无线传感节点供电。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1问题的提出及研究意义

1.2振动式微型发电机的国内外研究现状

1.2.1振动式电磁微型发电机

1.2.2振动式静电微型发电机

1.2.3振动式压电微型发电机

1.3本文研究目的及研究内容

1.4本文的组织结构

1.5本章小结

2振动式压电微型发电机的相关理论

2.1引言

2.2悬臂梁振动式压电微型发电机理论模型

2.2.1 Roundy模型

2.2.2对Roundy模型的修正

2.2.3利用转动发电的悬臂梁振动式压电发电机模型

2.2.4压电振动式发电机的有限元分析

2.2.5修正模型的验证

2.3本章小结

3振动式压电微型发电机的研制、封装及测试

3.1引言

3.2振动式微型发电机的研制

3.2.1压电薄膜的制备

3.2.2振动式压电微型发电机的结构设计

3.2.3振动式压电微型发电机的制备

3.3悬臂梁振动式微型发电机的性能测试及分析

3.3.1悬臂梁振动式压电微型发电机测试系统组建

3.3.2测试结果及分析

3.4本章总结

4微功耗动态电源管理电路的设计与调试

4.1引言

4.2无线传感网络耗能分析

4.3微功耗动态电源管理电路的系统分析与设计

4.3.1各模块电路功能介绍

4.3.2微功耗动态电源管理电路的模拟与参数优化

4.3.3微功耗动态电源管理电路的设计与调试

4.3.4电路功能的验证

4.4本章小结

5振动式压电微型发电机在无线传感网络系统中的应用

5.1引言

5.2室内模拟实验及结果分析

5.2.1振动台模拟实验

5.2.2利用转动发电的实验

5.3现场实验及结果分析

5.3.1汽车应用实验

5.3.2轮船应用实验

5.4本章小结

6总结与展望

6.1总结

6.2工作展望

致谢

参考文献

附录 作者在攻读学位期间发表的论文目录