飞机无线传感器热能与振动能综合能量收集自供电技术研究

摘要

利用分布式无线传感器节点对飞机结构参数进行实时在线监测具有十分重要的意义。通常这些无线传感器节点采用干电池供电，但由于节点数量多、分布广且干电池能量有限，而采用机载电源供电将导致布线变得复杂，既不现实也不经济。因此解决这些无线传感器节点的供电问题显得格外重要。
　　本文首先阐述了在飞机上利用具备能量收集功能的自供电传感器节点进行结构参数监测的必要性以及复合能量收集技术在国内外的发展现状，并调研了飞机飞行时的温度环境和振动环境特点，为能量收集传感器的设计提供依据。本文在研究了已有的振动能与温差能收集技术的基础上，提出了一种可同时收集热能与振动能的复合能量收集传感器。其中，针对温差能收集提出了热电发电器（TEG）能量收集模块的自适应阻抗匹配方案，该方案采用基于PID控制算法的脉宽调制(PWM)技术实现了源端与负载的自适应阻抗匹配，从而获得了最大输出功率；而针对振动能收集则采用了高精确开关控制的同步电荷提取技术（SECE）对压电能量收集模块进行了高效电荷提取。除此之外，针对系统启动时微控制器处于掉电状态而无法进行高效收集的情况，提出了一种电压启动电路，从而实现掉电模式与上电模式的切换。最后，通过实验分别验证了每个模块的功能，并制作了样机进行性能测试，结果表明本文提出的方案可以有效地提高能量收集的效率和输出的电功率，具有很大的可行性。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 课题的背景和意义

1.2 国内外温差能与压电能发电技术的研究现状

1.3 混合能源发电系统与复合储能研究的国内外现状

1.4 微能源技术在传感器节点应用上的发展现状

1.5本文的研究内容

第二章 飞机可采集能量及能量采集可行性分析

2.1 飞机上能源环境分布分析

2.2 能源收集方案的确定

2.3 温差发电技术

2.4 压电发电技术

2.5 本章小结

第三章 飞行器微能源复合式自供电传感器研究

3.1 能量自收集传感器的系统框架

3.2 电压启动模块设计

3.3 TEG自适应阻抗匹配模块

3.4 SECE控制电路的实现

3.5复合储能模块与稳压模块设计

3.6无线传感模块设计

3.7本章小结

第四章 系统的性能测试与验证

4.1 实验系统装置的搭建

4.2 实验结果与讨论

4.3 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1全文总结

5.2全文展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果及发表的主要论文