蒲公英状多方向宽频带压电振动能量采集研究

摘要

振动能在自然界广泛存在，通过采集振动能给无线传感器节点或自治型电子设备供电可大大减少干电池的使用，是节能环保的绿色能源技术，因而具有重要的研究价值。近年来振动能量采集器获得长足的发展。但是，目前所研究的振动能量采集器在对外界环境振动激励的频率变化和方向变化的适应性方面还刚刚起步，有待深入研究。
　　本论文提出一种具有多方向和宽频带振动能量采集功能的蒲公英状振动能量采集器。为从整体上研究蒲公英状多方向压电振动能量采集结构的发电性能，先从结构设计方面重点研究其能量收集的多方向性。首先，根据振动的合成与分解原理建立了单悬臂梁发电性能的理论模型，并数值模拟分析了单悬臂梁主要结构参数和外界激励方向对其发电性能的影响关系。在上述研究基础上，为研究不同外界激励方向下，蒲公英状多方向压电振动能量采集结构的发电性能，建立了不同方向下蒲公英状多方向压电振动能量采集结构发电性能的理论模型，并数值模拟了外界激励方向对蒲公英状多方向压电振动能量采集结构发电性能的影响关系。接着，以上述建立的蒲公英状多方向压电振动能量采集结构发电性能的理论模型为基础，对典型桥梁振动频率下的蒲公英状能量采集结构的结构参数进行了优化设计。为验证上述蒲公英状多方向压电振动能量采集结构理论分析的可靠性，采用ANSYS软件仿真分析了蒲公英状能量采集结构的振动响应情况。最后，对典型桥梁振动激励下蒲公英状能量采集结构的输出功率进行了试验研究，以进一步验证前述理论分析及有限元仿真的结果。该部分研究、分析为从结构设计上评估蒲公英状能量采集结构发电性能的多方向性提供了重要参考。
　　考虑到蒲公英状能量采集结构多方向、宽频带的设计思路，本文又从结构设计方面重点研究其能量收集的频带的拓宽。首先，分析了几种典型振动环境的频谱特性，并以此为基础提出了典型环境振动对能量采集结构的要求。接着，以上述典型振动环境的频谱特性为基础，对给定带宽下蒲公英状能量采集结构的参数进行了确定。最后，为了实际测试和评估蒲公英状能量采集结构的频带拓宽能力，制作了试验样机并搭建了相应的试验测试系统，试验结果表明，通过对蒲公英状能量采集结构的宽频带设计，可以有效的提高其能量采集能力。该部分研究、分析对从结构设计方面评估蒲公英状能量采集结构发电性能的宽频带性提供了指导。
　　此外，作为振动能量采集的重要组成部分，论文对充电控制电路和自适应调谐控制方法等进行了研究。在已有的单路充电控制电路的研究基础上，对SECE（SECE，Synchronous Electric Charge Extraction）电路和SSHI（SSHI，SynchronizedSwitchHarvesting onInductor）电路的开关切换时间进行了理论建模与分析；针对多方向能量收集结构多源异相的输出特点，研究了多源SECE并联、多源Series-SSHI并联收集电路；在此基础上，提出了一种适用于多方向振动能量收集结构的自动切换充电控制方案，它通过自动检测环境振动方向并将充电控制电路切换到该方向上的压电换能元件输出端以获得最大输出功率，从而减少了接口电路元器件的使用数量与电路损耗。
　　针对单压电悬臂梁结构在共振频率下输出功率最大的特点，提出了一种基于压电自感知驱动技术的SSSC（SSSC，synchronized switchstiffness control）自适应调节控制策略。它通过对压电元件进行分时复用，实现传感信号与驱动信号的解耦分离，获得结构实时工作状态，利用SSSC自适应调节控制策略，对压电悬臂梁进行刚度调节，从而初步实现了在一定频带内的频率自适应调节。
　　论文最后进行了蒲公英状振动能量采集结构的各项验证试验，结果表明，这种结构具有多方向和宽频带环境振动能量采集的能力。本文的研究成果可为以后设计实用的振动能量采集器提供设计准则和依据。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

注释表

第一章 绪论

1.1 研究背景及其研究意义

1.2 压电能量收集技术国内外研究现状

1.3 本文研究的主要内容

第二章 压电换能材料及多方向压电振动能量收集总体方案

2.1 压电换能材料

2.2 多方向压电振动能量收集总体方案

2.3 本章小结

第三章 蒲公英状多方向压电能量采集结构设计与力学分析

3.1单悬臂梁能量采集效果分析

3.2不同方向激励下能量采集结构的能量收集电能建模与分析

3.3典型桥梁振动频率下的能量收集结构的参数

3.4基于ANSYS的蒲公英状能量采集结构的振动响应分析

3.5典型桥梁振动激励下蒲公英状能量采集结构输出功率试验

3.6本章小结

第四章 蒲公英状压电振动能量采集结构宽频带实现

4.1几种典型振动环境的频谱特性分析

4.2典型环境振动对能量采集结构的要求

4.3给定带宽下能量采集结构的参数优化

4.4宽频带能量采集结构的频率响应试验

4.5宽频带能量采集结构的能量收集特性试验

4.6本章小结

第五章 多方向能量收集结构的充电控制及电源管理

5.1 单路充电控制电路对比分析

5.2 单路充电控制电路开关时序优化

5.3 多路充电电路的自动切换控制策略

5.4 结构自适应调谐控制策略

5.5 电源管理策略

5.6 本章小结

第六章 蒲公英状多方向压电能量收集结构实验

6.1 能量收集结构试验系统搭建

6.2 试验与结果分析

6.3 本章小结

第七章 全文总结与展望

7.1全文研究工作总结和主要结论

7.2下一步工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

攻读博士学位期间发表（录用）论文情况

攻读博士学位期间申请发明专利情况情况