基于cymbal換能器能量采集系統(tǒng)的研究.pdf

1、隨著無線傳感器和便攜式電子設(shè)備的應(yīng)用日益廣泛，以化學(xué)電池為其主要供能方式存在諸多弊端，如體積大、質(zhì)量大、供能壽命有限，需要定期更換，以及由此所帶來的材料浪費，環(huán)境污染等問題不容忽視，尤其對于目前發(fā)展迅速的無線網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)來說，電池供電的這種缺陷更明顯。為了解決這一技術(shù)難題，基于壓電理論的俘能技術(shù)可將環(huán)境中的振動能轉(zhuǎn)換為電能，從而為上述電子產(chǎn)品實現(xiàn)供能。同時壓電俘能器具有結(jié)構(gòu)簡單、不發(fā)熱、無電磁干擾、無污染和易于實現(xiàn)機構(gòu)的微小化、集成

2、化等諸多優(yōu)點，且能滿足此類低耗能產(chǎn)品的供能需求而成為目前的研究熱點之一。
　　本文針對cymbal俘能器開展對壓電俘能技術(shù)進行研究。首先通過有限元仿真，對單層壓電晶體結(jié)構(gòu)的cymbal換能器進行研究，得出其結(jié)構(gòu)參數(shù)對cymbal換能器輸出電壓和諧振頻率的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，對具有多層壓電晶體結(jié)構(gòu)的cymbal換能器進行仿真和對比分析，獲得了其電學(xué)連接方式對其輸出電壓的影響規(guī)律。最后，對cymbal換能器金屬帽的徑向開槽、邊緣處徑

3、向開槽及環(huán)形槽3種狀況進行仿真，獲得了槽深、槽寬及槽數(shù)對換能器輸出電壓和機械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響規(guī)律，為下一步的俘能器設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。
　　另外，本文設(shè)計了buck型DC-DC能量轉(zhuǎn)換電路?；趬弘姲l(fā)電裝置的等效機電模型，對能量存儲電路進行了時序分析。以功率最大化為目標，理論推導(dǎo)了能量存儲電路的占空比模型，得到了電路的最佳占空比等電學(xué)參數(shù)；同時用單片機對轉(zhuǎn)換開關(guān)的占空比進行控制，從而實現(xiàn)了能量存儲電路硬件設(shè)計。
　　在上述理

4、論和電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行了cymbal換能器的俘能實驗?？疾炝藟弘娋w厚度對俘能性能的影響；考察了徑向和環(huán)向開槽2種開槽形式對換能器俘能性能的影響，并將結(jié)果與傳統(tǒng)的俘能器實驗結(jié)果進行了對比，結(jié)果表明開槽的俘能器的最大輸出功率約是傳統(tǒng)俘能器的2倍；考察了激振頻率對俘能性能的影響，發(fā)現(xiàn)在低頻狀態(tài)下，輸出功率隨著激振頻率增大而增大；最后考察了電路參數(shù)變化對換能器的俘能性能影響，并與基本的能量采集電路進行了實驗對比，結(jié)果表明本文的能量存儲電路