宽频压电能量采集器及其接口电路的设计与实验研究

摘要

无线传感技术快速发展，传统的电化学电池供电逐渐暴露出使用寿命短、污染环境和需定期更换等缺陷。压电振动能量采集器供电具有可持续、环保、服务周期长等优点，能够取代电化学电池，成为研究热点。但是由于环境中的振动是随机的，压电振动能量采集器对于不在其固有频率附近的频率范围内的振动采集效率不高，目前研制的单频压电振动能量采集器大多存在工作频带窄、能量转换效率低等问题，难以满足现有微电子器件的供电需求。并且采集的能量必须经过整流之后才能给负载供电，所以设计高效的能量回收接口电路也是能量采集的重要环节。因此，本论文主要研究了宽频压电振动能量采集器及其接口电路的设计与实验。
　　本论文的主要内容有以下四部分:
　　(1)介绍了国内外压电振动能量采集器的研究现况和存在的问题，以及与本论文研究内容相关的基础理论知识，包括压电陶瓷、压电效应、压电方程等和悬臂梁弯曲振动的理论知识。
　　(2)介绍了线性单频压电振动能量采集器的结构设计和其输出性能的不足。然后重点研究了线性宽频压电振动能量采集器的分布参数模型运动方程的建立，接着分析了系统结构参数比对其振动性能和电输出性能的影响。最后通过实验比较了单频与宽频压电能量采集器的输出性能，以及比较了宽频压电能量采集器分布模型与集总参数模型预测输出性能的准确性。
　　(3)介绍了非线性压电振动能量采集器的结构设计和结构中末端永磁体对磁场增强对系统的作用。然后重点研究了非线性宽频压电振动能量采集器的分布参数模型运动方程的建立，在频域和时域分析了系统结构参数比和磁体对间距等对能量采集性能的影响，接着对三种不同的能量采集器做了对比分析。最后通过实验验证了非线性宽频压电振动能量采集器的输出性能。
　　(4)设计了标准能量回收、自供能P-SSHI、自供能S-SSHI三种接口电路，设计分析了它们在末端位移幅值恒定下的输出波形和回收功率;搭建了实验平台，实验比较了其在开路电压恒定下的最优负载时的回收功率。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 压电理论模型

1．2．2 结构改良

1．2．3 接口电路优化

1．2．4 实际应用

1．3 存在的问题及不足

1．4 主要研究内容及创新之处

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 论文创新之处

第2章 基础理论知识

2．1 压电理论

2．1．1 压电效应

2．1．2 压电材料

2．1．3 压电方程

2．1．4 压电振动模式

2．2 悬臂梁振动理论

2．3 本章小结

第3章 线性宽频压电能量采集器

3．1 单频压电能量采集器的结构与仿真分析

3．1．1 结构分析

3．1．2 模型与不足分析

3．2 宽频压电能量采集器的结构与仿真分析

3．2．1 结构分析

3．2．2 分布参数模型

3．2．3 仿真分析

3．3 单、宽频压电能量采集器实验研究

3．4 本章小结

第4章 非线性宽频压电能量采集器

4．1 非线性压电能量采集器结构与仿真分析

4．1．1 结构及原理

4．1．2 磁力模型有限元分析

4．2 非线性宽频压电能量采集器仿真分析与实验设计

4．2．1 结构及物理模型

4．2．2 分布参数模型

4．2．3 系统解分析

4．3 实验验证

4．4 本章小结

第5章 能量回收接口电路的设计及仿真

5．1 电路仿真软件介绍

5．2 压电片仿真模型建立

5．3 接口电路原理及仿真

5．3．1 Standard接口电路

5．3．2 SP-SSSHI接口电路

5．3．3 SP-PSSHI接口电路

5．3．4 对比分析

5．4 实验验证

5．4．1 Standard接口电路

5．4．3 SP-PSSHI接口电路

5．4．4 对比分析

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表论文

致谢

声明