【正文】 涉密論文按學(xué) 校規(guī)定處理。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。在學(xué)習(xí)生活中，導(dǎo)師不僅在學(xué)習(xí)中處處嚴格要求，而且在生活中 也時時言傳身教，這段時間是我最忙碌最充實的階段，從導(dǎo)師令人欽佩的人格魅力中學(xué)到了很多，也成長了很多，在此向王老師致以崇高的敬意和衷心的感謝。 （ 2） 本文僅從仿真方面證明了 SSHI 電路對提高壓電振動能量收集器能量轉(zhuǎn)換效率方面的功效，后續(xù)研究中可考慮從實驗方面對此電路加以證明?；趬弘娦?yīng)的壓電材料具有輸出電壓高、能量密度大、結(jié)構(gòu)簡單等特點，人們利用周圍環(huán)境的振動能并將其轉(zhuǎn)化為電能收集起來，為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和可佩帶器件供電，這種能量收集技術(shù)代替了傳統(tǒng)的依靠電池供電對環(huán)境造成的污染和浪費，有效利用了廣泛存在但被浪費了的振動能，使得能源得到了循環(huán)利用，是 一種經(jīng)濟、綠色、環(huán)保的節(jié)能方式。 錯誤 !未找到引用源。然而，與RAC 負載電路條件下的多模態(tài)電壓和功率響應(yīng)不同的是，前者是從諧響應(yīng)分析的角度對壓電懸臂梁的電能輸出特性進行了頻率掃描分析，因而沒有考慮相位信息，而后者是從時域的角度進行分析，同時 考慮到了頻率和相位的信息。 圖 壓電振動能量收集器的等效電路模型 圖 3 描述了考慮前 n 階振動模態(tài)時壓電振動能量收集器的等效電路模型。 圖 模型電路輸出電壓和電流波形 圖 壓電電源簡化圖 圖 壓電電源簡化圖 當(dāng)外力作用于壓電振子時，在其極面上產(chǎn)生電壓，向電容 C0 充電， C0 儲能后向外接電路供電。這些波形可以分為兩個階段，階段 1，用U 表示，極化電流流進壓電元器件的極間電容。另一方面，在長度和寬度一定的條件下，壓電層與中間支撐層的厚度之比對壓電懸臂梁的電能輸出影響也較大，而且不同壓電層之間的連接方式以及不同壓電材料和負載電阻也會對壓電懸臂梁的電能輸出產(chǎn)生影響。其定義為： 每周期消耗的能量每周期儲存的能量2πQ ? （ ） 在電廠作用下，壓電材料會發(fā)生形變，而討論電量與形變之間的比值，即為壓電應(yīng)變常數(shù)。 根據(jù)下表所述的四類邊界條件，選擇不同的自變量和因變量從而得到四類壓電方程，它們反映了壓電材 料中的力學(xué)量 (T , S )與電學(xué)量 (E , D )之間的相互關(guān)系。后者主要包括鈦酸鋇 (BaTiO3)和鋯鈦酸鉛 (PbZrTiO3， PZT)，相對 BaTiO3 而言， PZT 具有壓電常數(shù)大、機械強度高、機械剛度大、靈敏度高、介電常數(shù)大、制作工藝成熟，可通過合理配方和摻雜等人工控制來達到所要求的性能，而且成型工藝性好以及成本低廉等優(yōu)點，目前在制動器和傳感器中被廣泛應(yīng)用。 圖 串聯(lián)和并聯(lián) SSHI 能量收集電路 第 10 頁 共 23 頁 2 壓電發(fā)電技術(shù)機理研究 壓電能量轉(zhuǎn)換基本理論 壓電效應(yīng) 壓電發(fā)電技術(shù)是以壓電材料特有的壓電效應(yīng)來實現(xiàn)的，壓電效應(yīng)反映了一些晶體材 料的彈性性能與介電性能之間的機電耦合過程。因此， Shu 在 20xx 年首次提出了關(guān)于在非共振條件下的 SSHI 電路的討論。由于壓電振動能量收集器經(jīng)過 ACDC 之后能直接輸出直流電壓，因此對以 ACDC 負載電路為基礎(chǔ)的能量收集電路的研究較為廣泛。 以上文獻中大部分都將振動源等效成一個單一的簡諧信號，而且為了得到最大的電能輸出功率，要求整個能量收集器工作于其固有振動模式下。若將能量捕獲裝置和狀態(tài)檢測設(shè)備集成，構(gòu)成獨立自供電、自感應(yīng)單元，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控，將進一步推動能量捕獲方法從實驗室向?qū)嵱冒l(fā)展。微機電系統(tǒng)主要包括兩個方面，微結(jié)構(gòu)單元加工技術(shù)及微系統(tǒng)集成技術(shù)。 英國的 Stephen Roberts 等于 20xx 年提出一種新型可調(diào)諧的電磁振動微發(fā)電機，并對尺寸進行了優(yōu)化設(shè)計來達到輸出電壓和功率的最大化。但是，由于需要事先給電極板加上一定的電壓，所以其必須有獨立電源的支持才能工作。若干個壓電柱相互黏合構(gòu)成壓電筒，壓電筒在旋轉(zhuǎn)的振動環(huán)境下發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形從而產(chǎn)生感應(yīng)電荷。當(dāng)線圈在磁場中做切割磁力線運動時，在導(dǎo)線內(nèi)將產(chǎn)生電流，其輸出電能的大小由磁場強度、線圈的匝數(shù)和其相對于磁場的運動速度決定。表 列舉了一些常見的振動源以及它們的加速度和頻率特性 [17]。例如 ， Maneewan 等 [14]利用置于屋頂?shù)匿摪逦仗柲?，太陽能輻射到鋼板?, 使熱電轉(zhuǎn)換器件的熱端溫度升高，與冷端形成溫差從而輸出電能。同樣，韓國研究人員仿照人耳鼓膜制造出了噪聲發(fā)電機，它內(nèi)部存儲有碳酸鹽、丙烯腈等化學(xué)物質(zhì)可以將噪聲沖擊波對仿生鼓膜的振動能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來 [11]。盡管在戶內(nèi)可收集發(fā)光源散發(fā)的光能，但通過這種方法收集到的電能與和光源之間距離的平方成反比 [3]， 錯誤 !書簽自引用無效。而且，現(xiàn)在的光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，對應(yīng)的光伏發(fā)電設(shè)備也非常便利，基本上能夠?qū)崿F(xiàn)即裝即發(fā)電，不用使用任何類型的變壓器 [9]。表格的下半部分是單獨通過能量存儲技術(shù)得到的電源，它們的初始電能是一定的，因而它們的輸出功率隨著壽命的增加而不斷減小。 圖 工業(yè)環(huán)境中的潛在能量與回收 雖然以現(xiàn)有的技術(shù)和方法，要通過環(huán)境能量收集來完全實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自供電問題還有一定的困難，但是隨著現(xiàn)代化大規(guī)模集成電路的不斷發(fā)展，電子元器件的體積和功耗也越來越趨于微型化，微瓦級功耗的電子器件已經(jīng)非常普遍，再加上能量收集技術(shù)的不斷提高和優(yōu)化，相信在不久的將來，實現(xiàn)自供電式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將不再是難題。例如，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中 在 橋梁上 放置 大量的傳感節(jié)點，用 做 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測傳感器，還有追蹤野生動物 所用 的定為節(jié)點，即全球定位系統(tǒng)（ Global Positioning System,GPS）。 20 第 1 頁 共 23 頁 1 緒論 選題背景和意義 無線系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)深入世界的每一個角落，例如基于 標準的無線 網(wǎng)絡(luò)和基于藍牙標準的便攜式電子設(shè)備，這些已經(jīng)在日常生活中得到了普遍的應(yīng)用。為了獲得無線生命周期的自主供電系統(tǒng)，利用周圍環(huán)境的振動能轉(zhuǎn)換為電能為電子器件供電成為亟待解決的問題。 [關(guān)鍵詞 ]振動能；壓電 效應(yīng) ；壓電 材料 ；能量收集電路 Research on Vibration Energy Harvesting Technology Based on Piezoelectric material Jing Chuang （ Grad 11， Class 04, Major Technique and instrumentation of Measurements, Mechanical Engineering Dept., Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, Shaanxi） Tutor: Wang Nan Abstract: With the development of wireless sensor work technology and portable devices, the power supply via the battery bees one of the bottlenecks. In order to achieve finite lifetime of selfpowered systems, the desiderating thing is to provide electric energy for such devices and works by utilizing the vibration energy from the ambient vibration energy into electric energy into electric energy by piezoelectric materials attracts more and more attention and bees the hot point in micropower field. However the problems are that the modeling theory harvester are ought to be further investgated, the structures of the piezoelectric energy harvester are ought to be improved because of the small out put voltage and optimizing the harvesting circuits and storage devices are much in demand. According to the above problems,this dissertation investgated the development trend of the piezoelectric vibration energy harvesting at home and abroad, and pared the merits and shorting of the different parts of structures and harvesting circuits, finally,proposed the research content of piezoelectric vibration energy harvester. In the end,the work of this dissertation are sunnarized briefly,and next work is figured out, including the novel research ideas. Keywords: Vibration energy, Piezoelectric effect, Piezoelectric materials, Energy harvesting circuit I 目 錄 1 緒論 4 壓電振動能量收集技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 10 壓電效應(yīng) 10 壓電方程 10 材料與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化選擇 14 ACDC 負載電路條件下的等效電路建模分析 18 總結(jié) 目前， 絕 大部分無線傳感器 和 便攜式電子設(shè)備都是采用電池 來提供 電 力 的。能量收集技術(shù)是一種將工業(yè)設(shè)備或周圍環(huán)境中的其他能量通過某種物理或化學(xué)機制轉(zhuǎn)換成電能，并將電能提供給其他電子設(shè)備的技術(shù)方法。 描述了不同能量收集技術(shù)的對比結(jié)果 [38]，表中同時包含了普通電池和其他能量存儲電源的對比信息。 1） 太陽（光）能收集 光電材料的不斷發(fā)展，使太陽光伏能量收集成為了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電能來源的一個重要組成部分。 雖然太陽能所能提供的電能密度很大，在戶外太陽直射的條件下，在地球表面通過太陽能收集技術(shù)所能提供的最大功率密度能夠達到 100mW/cm3，但是，現(xiàn)有的硅太陽能電池或太陽能薄膜晶體電池對太陽能的利用率較低，只能達到 12%25%。對聲能的收集一般通過人造鈮酸鋰來實現(xiàn)。單獨的一個PN 結(jié) 只能生成很小的電動勢 ，但如果 串聯(lián)起 眾多的 PN 結(jié)， 那么久 可以得到足夠高的電壓，繼 而形成一個溫差發(fā)電機。自 1947 年第一臺溫差 第 4 頁 共 23 頁 發(fā)電機以僅 %的能量轉(zhuǎn)換效率問世以來 [16]，為了提高能量轉(zhuǎn)換效率，人們從熱電材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等各個角度對溫差發(fā)電機進行了研究，但是目前溫差發(fā)電機的效率也只介于 5%～7%之間。靜電式能量收集器將振動能量轉(zhuǎn)換成電能的原理是：在周圍振動環(huán)境的影響下，慣性質(zhì)量塊帶動可變電容器的可動電 極板，從而改變電容的大小。目前壓電振動能量收集器主要通過三種結(jié)構(gòu)形 式實現(xiàn)環(huán)境振動能量的收集，它們分別是懸臂梁結(jié)構(gòu)、鐃鈸結(jié)構(gòu)和柱筒結(jié)構(gòu) [19,20]，如圖 。華中科技大學(xué)的胡洪平等 [21]提出了螺旋狀壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)，同時對其結(jié)構(gòu)性能、阻抗和外加質(zhì)量對發(fā)電裝置的影響規(guī)律進行了深入分析。 錯誤 !未