无线传感器节点宽频振动能量采集装置研究及应用

摘要

随着低功耗电子设备技术的高速革新，对当下机械生产中无线传感技术的要求也产生了极大地推动。当下，电池供电依旧是部分无线传感器节点的供能方式。电池作为化学产物，其消耗和处理过程极大地增加了环境的污染以及经济和人力成本的大量消耗，使传感器在工作中带来负担。故基于环境能量采集自供电技术的研究备受关注。　　波浪能是一种丰富的可持续能源，由于波浪频率较低，能量的采集过程受到了很大阻碍。压电悬臂梁是压电材料在基础设施监测中的一种应用，具有柔性和易于封装等优点，能在低频环境下实现能量有效吸收转换的采集装置，也比较适用海洋等自振频率较低的环境。目前单一结构的振动能量采集装置转换效率较低，介于环境中振源不稳定，单悬臂梁对振动频率响应非常敏感，不容易实现环境振源与采集结构谐振频率的良好匹配，造成能源浪费。因此，本文提出了一种多个压电振子并联连接的阵列式宽频振动能量采集器，通过有限元分析，得到了梁的尺寸与自振频率的关系，并结合理论公式对压电悬臂梁的结构进行了优化设计。其次，对压电悬臂梁的自振频率是否在设计目标范围内进行了实验研究，测量了压电悬臂梁的承载力。最后设计了一种浮标用无线传感器网络节点自供能装置的应用，利用AUTOCAD进行图形结构绘制，对浮体外形能量捕捉、浮体入水深度对波浪的捕捉进行设计优化，通过幅频特性实验和功率测试，得到换能系统固有频率和幅频特性曲线以及负载特性曲线。　　本文对比了单悬臂梁能量收集效率与宽频带能量收集效率，在单悬臂梁的基础上结合波浪特性提出了一种适用于海洋环境下波浪振频的宽频振动能量收集器。研究数据表明，在几赫兹到二十几赫兹的低频波浪环境下，宽频带多模振动能量采集结构可以拓宽收集装置的捕能范围，通过对比实验，选择长度最大56mm、50mm、48mm、42mm，宽度20mm、18mm、15mm、12mm，基板最大厚度0.25mm，压电片厚0.2mm，质量块质量分别为:3.579、7.739、12.049、18.79g的压电振子，所获得的能量足以为浮标内的电子设备提供所需的能量。

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摘要

第一章绪论

1．1研究背景

1．2能量收集技术

1．3振动能量收集技术的研究现状

1．3．1振动能量采集技术的发展

1．3．2压电式振动能量收集器的主要结构

1．4压电能量收集器及储能电路的发展

1．5本文主要研究内容

第二章压电振动能量采集器的基本理论

2．1压点振动能量采集器原理

2．1．1压电效应

2．1．2压电材料

2．1．3极化过程

2．2压电方程与机电转换模式

2．3本章小结

第三章阵列宽频振动能量收集器力学分析及结构设计

3．1单悬臂梁能量采集效果分析

3．1．1单悬臂梁动力学分析

3．1．2单悬臂梁产生电能分析

3．2宽频压电能量收集器的结构设计及原理

3．2．1工作原理

3．2．2结构设计

3．2．3理论建模

3．3宽频能量收集器有限元建模

3．4宽频振动能量收集器的仿真分析

3．5本章小结

第四章实验平台的搭建与浮标用能量采集结构的制备

4．1宽频压电振动能量收集器悬臂梁制备

4．2宽频压电振动能量收集系统实验台的建立

4．3宽频能量采集结构输出功率分析

4．3．1串联连接

4．3．1并联连接

4．3本章小结

第五章阵列式宽频振动能量采集器的应用

5．1浮子式波浪压电能量收集结构的设计

5．1．1结构设计

5．1．2线性阵列式压电结构工作原理

5．2能量采集装置的应用

5．2．1阵列式压电叠堆低频振动发电特性

5．2．2整机理论效率计算

5．2．3 SECE能量收集电路

5．3本章小结

第六章总结与展望

6．1全文总结

6．2展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文及研究成果