【正文】 的物件；微系統(tǒng)集成技術(shù)是將微組件集成在一起，并對(duì)其進(jìn)行信號(hào)的控制與處理，同時(shí)提供外部宏觀接口。美國的 等提了一種結(jié)構(gòu)緊湊的壓電能量收集裝置，帶有由四個(gè)二極管和一個(gè)電容器組成的整流電 路，并對(duì)圓形和方形兩種界面的裝置做了發(fā)電性能測(cè)試。對(duì)于電磁式振動(dòng)能量收集器而言，雖然它不需要額外的電源，但由于它是通過線圈切割磁力線而產(chǎn)生電能的，所以它的結(jié)構(gòu)一般較為復(fù)雜，體積也較大，而且對(duì)用電設(shè)備 會(huì)產(chǎn)生電 第 6 頁 共 23 頁 磁干擾。由于工業(yè)環(huán)境中一定角度的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)并非普遍存在，因而這種柱筒式結(jié)構(gòu)很少用于振動(dòng)能量的收集中，反而在壓電制動(dòng)器中應(yīng)用較多。根據(jù)線圈 切割磁力線的不同方式可將電磁式振動(dòng)能量收集器分成磁極運(yùn)動(dòng)型和磁極固定型?？梢钥闯?，這些常見的振動(dòng)源頻率都介于 60 到 120Hz 之間，所產(chǎn)生的峰值加速度大概處于 1 到 10m/s2。實(shí)驗(yàn)證明，在環(huán)境溫度為 3035186。 但是，聲能的輸出功率密度太低，而且要達(dá)到理想的輸出功率，就要求聲音環(huán)境有足夠高的分貝值，這只有在一些特殊的場合才能實(shí)現(xiàn)，況且過高的分貝值對(duì)人耳來說是難以承受的。 給出了在不同光照情況下所能收集到的電能密度。 光伏發(fā)電的全過程是利用太陽的光輻射能通過光電池作用轉(zhuǎn)換為電能，能量轉(zhuǎn)換過程簡單，它是直接將光能轉(zhuǎn)換為電能，沒有中間環(huán)節(jié)，因而光伏發(fā)電不但無噪音，而且無能耗、無有毒污染氣體排放、無水源冷卻系統(tǒng)與設(shè)備，節(jié)省了資金投入。 表 不同能量收集技術(shù)的對(duì)比 電源類型 功率密度 (μW/cm3) 1 年壽命 功率密度 (μW/cm3) 10 年壽命 能量源 數(shù)據(jù)的來源 信息 能量收集電源 太陽能 (戶外 ) 15000(太陽直射 ) 150(陰天 ) 15000(太陽直射 ) 150(陰天 ) 通常易獲取 太陽能 (戶內(nèi) ) 6 (辦公桌旁 ) 6 (辦公桌旁 ) 來自文獻(xiàn) [13] 振動(dòng)能量 200 200 來自文獻(xiàn) [14] 噪聲能 (75Db) (100Db) (75Db) (100Db) 理論計(jì)算 每日溫度變化能 10 10 理論計(jì)算 溫度梯度能 15 (10186。 本文主要研究基于壓電材料的振動(dòng)能量收集技術(shù)及其在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。 如果 電池能量耗盡， 那么 就需要定期 將 傳感器上的電池更換。無線系統(tǒng)與傳統(tǒng)的有線系統(tǒng)相比較，具有很多優(yōu)勢(shì)，例如使用方便、操作靈活、并且可以隨意配置。 17 4 總結(jié)與展望 13 壓電發(fā)電裝置的電學(xué)等效模型 2 常見的能源及其收集方法 其中利用壓電材料把振動(dòng) 能轉(zhuǎn)換為電能越來越受到關(guān)注，成為能量領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。 最后，對(duì)全文工作進(jìn)行了總結(jié)，并 且 對(duì)下一步計(jì)劃進(jìn)行展望，提出新的研究思路。 6 能量收集電路與能量轉(zhuǎn)換效率 7 2 壓電發(fā)電技術(shù)機(jī)理研究 這樣對(duì)便攜式電子設(shè)備和無線傳感器的供電設(shè)備的需求也就與日俱增。 近些年來，基于環(huán)境的能量收集技術(shù)引起了國內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。根據(jù)被收集能量形式的不同，可將能量收集技術(shù)分成不同的種類， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 我們可以發(fā)現(xiàn)，從用電設(shè)備的長遠(yuǎn)工作來看，通過能量收集技術(shù)提供電能要明顯優(yōu)于電池供電，而且不同環(huán)境能量所能提供的電能有明顯的差別，接下來我們就對(duì)常見的能量收集技術(shù)進(jìn)行簡要的說明。因此光伏發(fā)電是一種最具有可持續(xù)發(fā)展的、最具特殊性能的可再 第 3 頁 共 23 頁 生能源的發(fā)電技術(shù)。那么可以想象，在一個(gè)體育場，幾萬人一起吶喊鼓掌產(chǎn)生的能量也是相當(dāng)巨大的。由于熱激發(fā)作用， P 型材料高溫端的空穴濃度 要高于低溫端 的空穴濃度 ，或者說 N 型材料高溫端的電子濃度高于低溫 端 ，在這種濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下，空穴和電子就會(huì) 緩緩的 向低溫端擴(kuò)散， 繼 而形成電動(dòng)勢(shì)，這樣，熱電材 料就通過高低溫 兩 端之間的溫差補(bǔ)償 ， 完成了將高溫端的輸入熱能轉(zhuǎn)化成電能的過程。 但是，低效率一直是限制溫差發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的最主要原因。 1) 靜電 (電容 )式 靜電式振動(dòng)能量收集器也稱為電容式振動(dòng)能量收集器，其基本結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成：可變電容和恒定電壓源，其中可變電容由一個(gè)固定電極和一個(gè)附有慣性質(zhì)量塊的可動(dòng)電極構(gòu)成。理想情況下，壓電元件的變形越大，其產(chǎn)生的電能也越大。 Mateu 對(duì)比了矩形和三角形壓電懸臂梁振動(dòng)能量收集器，結(jié)果表明，在三角形壓電懸臂梁的長度、厚度及其固定端寬度與矩形懸臂梁的長度、厚度和寬度都分別相等的情況下，受到相同載荷作用時(shí)三角形懸臂梁產(chǎn)生的應(yīng)變更大，輸出的電能也更多。為此，本文的研究主要圍繞壓電式振動(dòng)能量收集器而展開。程光明等設(shè)計(jì)制作了數(shù)據(jù)采集軟件，可以對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示，為研究壓電陶瓷發(fā)電能力的影響提供了測(cè)試分析平臺(tái)。近十 多年來，隨著壓電變壓器的設(shè)計(jì)、制作以及應(yīng)用等方面的迅速發(fā)展，已成功應(yīng)用于筆記本電腦中。 能量收集電路與能量轉(zhuǎn)換效率 由于壓電振動(dòng)能量收集器本身輸出的電能有限，因而在對(duì)壓電發(fā)電機(jī)進(jìn)行理論建模和仿真分析的同時(shí)，一些研究人員也對(duì)如何提高其機(jī)械能 電能的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了研究。 Cho 對(duì)比分析了懸臂梁型、堆棧型和薄膜型的壓電能量收集器，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，能量轉(zhuǎn)換效率主要由壓電材料的品質(zhì)因數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)決定。 SSD 非線性技術(shù)首先由 Richard 提出來，他指出，為了提高壓電設(shè)備的能量傳輸效率，一般都在傳輸電路上添加一個(gè)電感來調(diào)節(jié)負(fù)載電路的阻抗從而實(shí)現(xiàn)輸入輸出的阻抗匹配，但是這種匹配電路在頻率較低時(shí)無法發(fā)揮作用。理想串聯(lián) SSHI 系統(tǒng)的電能輸出特性與開路共振頻率下的強(qiáng)耦合 ACDC 電能收集系統(tǒng)的電能特性基本上相同的，而理想并聯(lián) SSHI 系統(tǒng)的輸出電能與工作在短路共振頻率下的強(qiáng)耦合 ACDC 電能收集系統(tǒng)的電能特性類似。與正壓電 效應(yīng)對(duì)應(yīng)的是逆壓電效應(yīng)，它是指將某些晶體材料置于外電場中，電場使晶體內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移，導(dǎo)致形變，從而由 “電 ”產(chǎn)生 “機(jī)械形變 ”的現(xiàn)象，如 圖 (b)所示。所謂機(jī)械自由是指壓電材料可以自由變形，此時(shí)的應(yīng)力 T 為零或常數(shù)；機(jī)械夾持是指壓電材料不能自由變形，此時(shí)的應(yīng)變 S 為零或常數(shù)。 當(dāng)壓電材料處于第一類邊界條件時(shí)，選擇應(yīng)力 T 和電場強(qiáng)度 E 為自變量，應(yīng)變 S 和電位移 D 為因變量，得到相應(yīng)的第一類壓電方程為： TsdES dTEεD ET?? ?? (） 也可以表示為： ε EdσDdEσY1ε???? （ ） 式 中： ? 為應(yīng)變， ? 為應(yīng)力， d 為壓電介質(zhì)的壓電應(yīng)變常數(shù)矩陣， D 為電位移， E為電場強(qiáng)度， Y 為彈性模量。 材料與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化選擇 由于壓電陶瓷材料非常脆，極易斷裂，因而一般需要一種韌性較好的材料作為支撐才能穩(wěn)定工作。 第 13 頁 共 23 頁 3 壓電振動(dòng)能量收集器等效電路設(shè)計(jì) 壓電發(fā)電裝置的電學(xué)等效模型 從電學(xué)角度來看壓電陶瓷可以簡化為一個(gè)正弦電流源 ip(t)，與內(nèi)在的電極電容 Cp 并聯(lián)，如圖 所示。 壓電陶瓷產(chǎn)生的電荷是瞬間和交替的，是以不規(guī)則的隨機(jī)突發(fā)形式提供能量，因此必須在一個(gè)電容中積累足夠的能量，而且在電能提取 過程中具有阻尼效應(yīng)（當(dāng)振動(dòng)能傳遞到壓電材料時(shí)，由于壓電效應(yīng)而轉(zhuǎn)化為電能，在材料內(nèi)部產(chǎn)生交流電壓，而當(dāng)材料內(nèi)部電阻太大（相當(dāng)于短路）或電阻太?。ㄏ喈?dāng)于短路）時(shí)，產(chǎn)生的電能未消，會(huì)再次轉(zhuǎn)化為振動(dòng)能即產(chǎn)生阻礙壓電材料進(jìn)一步變形的反作用力）。 和 錯(cuò)誤 !未找到引用源。仿真過程中，以電壓源的頻率為掃描參數(shù)，仿真時(shí)間設(shè)為 ，這樣通過改變負(fù)載電阻 的大小就可得到不同負(fù)載電阻時(shí)壓電懸臂梁的輸出電壓和功率與激勵(lì)頻率之間的關(guān)系。 可得 LC 振蕩電路的周期為 *T =，于是開關(guān)電路的導(dǎo)通時(shí)間為 *2T =。 因此，在設(shè)計(jì) SSHI 負(fù)載電路時(shí)，一方面要盡量避免使用較小的電感值，因?yàn)?LC 振蕩電路的周期越小越難保證其精度；另一方 第 17 頁 共 23 頁 面，盡量選用數(shù)值較大的電感，但是大電感往往損耗都比較大，這就要求在設(shè)計(jì)時(shí)必須權(quán)衡二者之間的關(guān)系，以期達(dá)到壓電懸臂梁的最大能量轉(zhuǎn)換效率。 （ 3） 完成壓電振動(dòng)能量收集電路的設(shè)計(jì)并在面包板搭建完成，分析了壓電懸臂梁產(chǎn)生的開路電壓、總的電能以及負(fù)載功率的問題，并在此基礎(chǔ)對(duì)器件進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。同時(shí)也要證明，功率調(diào)節(jié)電路對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作起到極其關(guān)鍵的作用，通過合理的功率調(diào)節(jié)電路，以轉(zhuǎn)換環(huán)境振動(dòng)能量成電能的壓電振動(dòng)能量收集器為電源的自供電式無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)是完全能夠?qū)崿F(xiàn)的。 第 20 頁 共 23 頁 參考文獻(xiàn) [1] Romer K. 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