基于振动能量收集的无线传感器节点自发电系统研究及应用

摘要

本文提出了一种悬臂梁与附加质量块插入式连接的压电振动能量收集器结构，这种插入式连接结构不仅可以保证末端附加质量的重心与梁体重心共线，而且可以有效地防止悬臂梁以较大位移横向振动时引起的压电层的挤压断裂；以这种插入式连接的压电悬臂梁结构为基础，推导了欧拉-贝努利梁理论和瑞利梁理论下的压电悬臂梁机电耦合动力学微分方程，并利用悬臂梁固有振型的正交性对机电耦合微分方程进行了正则化处理；分析研究了 R-AC载电路条件下，压电悬臂梁的正则化位移、正则化电压、正则化电流和正则化功率响应与正则化激励频率、正则化负载电阻之间的关系。　　利用有限元分析软件ANSYS14.0建立了插入式连接的双压电层并联的振动能量收集器有限元仿真模型，提取了压电悬臂梁的振动模态，并对比分析了不同振动模态下压电悬臂梁内部的应力和应变分布，得出了低阶模态更适合于压电能量转换的结论。　　实验方面对压电悬臂梁能量收集过程进行了分析研究。首先，构建了振动式压电能量收集系统实验台；第二，设计了 R-AC负载电路条件下的压电振动能量收集系统试验方案，研究振动环境和电路负载中的各参数对电能转换和输出的影响水平；第三，对比分析了以欧拉-贝努利和瑞利梁理论为基础建立的压电振动能量收集器电能预测理论模型。分析结果表明，欧拉梁理论高估了压电悬臂梁的模态位移从而引起压电悬臂梁的电能预测模型的理论输出结果偏离其实际值，相对而言，在只考虑弯曲振动的情况下，瑞利梁理论能够较为真实的反映压电悬臂梁的实际电能输出情况。　　设计了由压电振动能量收集器、功率调节电路、温度传感器和无线收发器组成的自供电式无线温度监测节点；着重设计了功率调节电路，并实验分析了通过这这种功率调节电路给无线温度监测节点供电时，无线温度信号的监测和发送过程以及供电电压在时间历程上的区别。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 选题背景和意义

1.2 压电振动能量收集技术研究现状

1.3 论文的主要工作及章节安排

第二章 压电材料发电的基本理论

2.1 压电效应

2.2 极化过程

2.3 压电方程与机电转换模式

2.4 本章小结

第三章 压电悬臂梁振动理论建模分析

3.1 插入式连接结构的提出和附加质量的等效简化

3.2 机电耦合动力学微分方程

3.3 R-AC负载电路条件下电能预测理论解析模型

3.4 本章小结

第四章 基于ANSYS的有限元仿真分析

4.1 压电振动能量收集器有限元仿真模型

4.2压电振动能量收集器的应力应变分析

4.3 本章小结

第五章 压电陶瓷悬臂梁的制备与实验平台的搭建

5.1压电振动能量收集系统实验台的建立

5.2 实验对象制备与实验条件测试

5.3 R-AC负载电路条件下的电能输出特性对比

5.4 本章小结

第六章 功率调节电路及其在无线传感器网络中的应用

6.1 自供电式无线温度监测节点的总体结构与系统组成

6.2 带充电模块的功率调节电路设计与性能分析

6.3 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 全文总结

7.2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文及研究成果