【正文】 對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。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。 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(yè) 共 23 頁(yè) 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。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。 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）或電阻太小（相當(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）。 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。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)。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。 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。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。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。理想情況下，壓電元件的變形越大，其產(chǎn)生的電能也越大。 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。那么可以想象，在一個(gè)體育場(chǎng)，幾萬人一起吶喊鼓掌產(chǎn)生的能量也是相當(dāng)巨大的。 我們可以發(fā)現(xiàn)，從用電設(shè)備的長(zhǎng)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(jiǎn)要的說明。 近些年來，基于環(huán)境的能量收集技術(shù)引起了國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。 6 能量收集電路與能量轉(zhuǎn)換效率 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)。 2 常見的能源及其收集方法 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。 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。 光伏發(fā)電的全過程是利用太陽(yáng)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(jiǎn)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。 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(chǎng)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?？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。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。美國(guó)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。 在一些特殊的場(chǎng)合，需要設(shè)備自供電運(yùn)行 ，而自供電的關(guān)鍵技術(shù)是其能量捕獲。 Ottman 設(shè)計(jì)了一種降壓開關(guān)電路， 并實(shí)驗(yàn)證明 了在線性負(fù)載和弱耦合的情況下，這種開關(guān)電路能夠?qū)弘娬駝?dòng)能量收集器的輸出功率提高400%。 1880 年 J. 居里和 P. 居里兄弟發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)。 這四類壓電方程的形式會(huì)因壓電材料的不同而有所差別，這主要是因?yàn)椴煌瑝弘姴牧系膶?duì)稱性不同，從而引起壓電方程中力學(xué)和電學(xué)參數(shù)的獨(dú)立分量的個(gè)數(shù)有所差別。因此，需要對(duì)壓電材料和中間支撐層的厚度比 、材料類型以及壓電懸臂梁的電能輸出與負(fù)載電阻之間的關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化選擇分析。當(dāng)外力減小或消失時(shí)，為避免充電電容向壓電元件放電而導(dǎo)致儲(chǔ)存的點(diǎn)呢過下降，在電路中接入一個(gè)二極管，由于電容 C0 在充電過程中以及在給外接電路供電時(shí)，電容 C0上的電壓變化較大，為給工作電路提供穩(wěn)定的電壓，電源后接穩(wěn)壓器 。 圖 ACDC 負(fù)載電路條件下的壓電振動(dòng)能量收集器的多模態(tài)等效電路 SSHI 負(fù)載電路條件下的等效電路建模分析 利用等效電路建模方法仿真分析 SSHI 負(fù)載電路條件下的壓電懸臂梁輸出電壓時(shí)，難點(diǎn)在于導(dǎo)通開關(guān)控制信號(hào)的設(shè)置?；诖说龋疚木蛪弘娬駝?dòng)能量收集的主要技術(shù)進(jìn)行了研究，具體總結(jié)如下： （ 1） 研究了目前國(guó)內(nèi)外壓電振動(dòng)能量收集存在的問題，比較了器件結(jié)構(gòu)和收集電路各部分的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而提出了壓電振動(dòng)能量收集器的研究?jī)?nèi)容。 同時(shí)，感謝四年來陪我走過的同學(xué)們，大家給了我學(xué)習(xí)和生活上的很多關(guān)心和幫助，從大家身上也學(xué)習(xí)了很多。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 第 25 頁(yè) 共 23 頁(yè) 注 意 事 項(xiàng) （論文）的內(nèi)容包括： 1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作） 2）原創(chuàng)性聲明 3）中文摘要（ 300 字左右）、關(guān)鍵詞 4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁(yè)（附件不統(tǒng)一編入） 6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論 7）參考文獻(xiàn) 8）致謝 9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)） ：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于 1 萬字（不包括圖紙、 程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于 萬字。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。由于采用壓電材料轉(zhuǎn)換能量時(shí)，壓電材料是能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，下一步可選擇具有高壓電系數(shù)、大機(jī)電耦合系數(shù)、低損耗的弛豫鐵電單晶或者陶瓷，以獲得更優(yōu)異的能量轉(zhuǎn)換性能。 所示，其中電容值為 1fF 的電容 C4 用來提高整個(gè)仿真過程中的收斂程度，其不會(huì)對(duì)整個(gè)電路產(chǎn)生大的影響。其中 ，每一個(gè)并聯(lián)支路代表每一階振動(dòng)模態(tài)。 圖 壓電陶瓷與外界電路并聯(lián)的等效電路模型 電路相關(guān)的電壓和電流波形圖如圖 所示。 Q 機(jī)械品質(zhì)因數(shù)表征壓電體諧振時(shí)克服內(nèi)摩擦而消耗的能量，時(shí)考察機(jī)械損耗的一個(gè)重要參量，對(duì)于能量轉(zhuǎn)換器而言，機(jī)械品品質(zhì)因數(shù)越高，機(jī)械損耗越小 越好，這樣能把更多的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。前者的代表是石英晶體，它的突出特點(diǎn)是性能穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高，而且絕緣性能好，但是它的壓電系數(shù)較小，且價(jià)格較貴，一般僅用在標(biāo)準(zhǔn)儀器的制作中。然而，該團(tuán)隊(duì)在分析中假設(shè)壓電發(fā)電機(jī)的位移和輸出電壓是同相位的，這就導(dǎo)致其理論模型只適合于共振條件下的分析，而實(shí)際應(yīng)用時(shí)，壓電振動(dòng)能量收集器并非總是工作于共振條件下。由于 RAC 型能量收轉(zhuǎn)換類型 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 能量密度(mJ/cm3) 靜電式 電壓輸出高 較好的 MEMS 兼容性 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜 需要啟動(dòng)電源 4 電磁式 技術(shù)成熟 無需啟動(dòng)電源 結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單 難以由 MEMS 技術(shù)實(shí)現(xiàn) 體積大 輸出電壓低 壓電式 易 于由 MEMS 技術(shù)實(shí)現(xiàn) 輸出能量密度大 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無需啟動(dòng)電源，無電磁干擾 單個(gè)壓電發(fā)電機(jī)輸出電能有限 轉(zhuǎn)換效率較低 阻抗大，難于實(shí)現(xiàn)與負(fù)載的阻抗匹配 第 8 頁(yè) 共 23 頁(yè) 集電路最為簡(jiǎn)單，因而對(duì)壓電振動(dòng)能量收集器的最初研究都以此電路為主。 1) 向微能源器件 發(fā)展 第 7 頁(yè) 共 23 頁(yè) 微能源器件是微機(jī)電系統(tǒng)的一個(gè)重要分支，而微機(jī)電系統(tǒng)（ MEMS）則是二十一世紀(jì)的研究領(lǐng)域之一。 對(duì)比上述靜電式、電磁式和壓電式振動(dòng)能量收集器可以發(fā)現(xiàn)，靜電式振動(dòng)能量收集器可以通過硅微加工技術(shù)制造，并進(jìn)行批量生產(chǎn)，因而這種能量收集方式有利于與其它 IC 工藝兼容。 2） 電磁 (電感 )式 電磁式振動(dòng)能量收集器也稱為電感式振動(dòng)能量收集器，其轉(zhuǎn)換原理與法拉第發(fā)電機(jī)的電磁感應(yīng)原理相同。利用這些熱電材料制成的溫差發(fā)電設(shè)備具有體積小、重量輕、無振動(dòng)、運(yùn)行無噪音、工作壽命長(zhǎng)和在極端惡劣環(huán)境下可長(zhǎng)時(shí)間工作的優(yōu)點(diǎn)，非常適合于各種無人監(jiān)視的傳感器、衛(wèi)星電源、燈塔和導(dǎo)航標(biāo)識(shí)以及醫(yī)學(xué)和生理學(xué)研究領(lǐng)域。從 中可以看出，在戶外太陽(yáng)直射和陰天的條件下太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的功率輸 出密度相差 100 倍。 中可以看出，表格的上半部分表示單獨(dú)通過能量收集而 形成的電源，因而這部分的功率密度與使用壽命無關(guān)。 因?yàn)殡姵貕勖南拗?， 在 使用時(shí)會(huì)遇到一系列的問題， 而且 在某些場(chǎng)合下更換電池是一項(xiàng)成本很高甚至于不可能完成的工作。 18 致謝 10 壓電能量轉(zhuǎn)換基本理論 2 振動(dòng)能量收集方法 19 參考文獻(xiàn) 盡 管隨著電池技術(shù)的 逐漸 發(fā)展， 開發(fā)者 可以通過增大電池容量來延長(zhǎng) 電池的使用 年限， 可 是當(dāng)前電池增容技術(shù)的發(fā)展 速度還是 遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于無線電子器件。從 錯(cuò)誤 !未找到引用源。而且，太陽(yáng)能收集技術(shù)的電能輸出與光照大小有很大的關(guān)系。 用于溫差發(fā)電的熱電材料主要以半導(dǎo)體材料為主，如 Bi2Te PbTe2SnTe和 SiGe 與 MnTe等 [13]。如果事先給電容器極板上加上了恒定的電壓，那么當(dāng)可動(dòng)極板在環(huán)境振動(dòng)的帶動(dòng)下發(fā)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電容器的容量將發(fā)生變化，則根據(jù) Q CU? 可得電極板上的電荷將向外流動(dòng)形成電流，從而將外部的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成電能輸出。此外， Kim 和中南大學(xué)的陳子光等 [22]分別設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)分析了鐃鈸型和柱筒扭轉(zhuǎn)型壓電振動(dòng)能量收集器。 壓電發(fā)電技術(shù)的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展和成果，但同時(shí)也面臨著更大的挑戰(zhàn)，壓電發(fā)電技術(shù)的發(fā)展主要圍繞以下幾個(gè)方面展開。最早的能量收集電路被稱為 RAC 型 (或消耗型 )電路，這種電路中只有一個(gè)電阻負(fù)載，壓電振動(dòng)能量收集器與電阻負(fù)載直接相連，如 (a)所示。 Richard 的團(tuán)隊(duì)以此SSD 技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)出了適合于提高壓電振動(dòng)能量收集器輸出功率的 SSHI 電路，并從理論上證明了這種 SSHI 電路能夠?qū)⒃?ACDC 能 量收集電路下的輸出功率提升 400~900%。 圖 正逆壓電效應(yīng)示意圖 目前已出現(xiàn)的壓電材料大致可分為兩大類，一類是壓電單晶體，另一類 是壓電陶瓷。其定義為： 輸入的機(jī)械能機(jī)械能轉(zhuǎn)換成的電能K 2 ? （ ） 輸入的電能電能轉(zhuǎn)換成的機(jī)械能K 2 ? （ ） K 越大，說明材料的機(jī)電轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)。假設(shè)直流濾波電容 Crect 足夠大使輸出電壓 Vrect基本恒定；負(fù)載電阻上電壓為 i0（ t）；假設(shè)二極管處于理想狀態(tài)，負(fù)載可調(diào)。 表 機(jī)電參數(shù)的類比關(guān)系 電學(xué)量 機(jī)械量 電荷 ()rqt 模態(tài)位移 ()()kr t? 電 流 ()rIt 模態(tài)速度 ()()kr t? 電壓源 ()rVt 外部力 ()? ()krQ bt?? 電感 rL 質(zhì)量系數(shù) 1 電阻 rR 阻尼系數(shù) ()?krC? 電容 rC 柔順系數(shù) ()21( )kr? 電容 0C 系數(shù) ()? kVC? 理想變壓比 rN 機(jī)電耦合系數(shù) ( ) ( )? kkVrK? 從 表 3 中可以得出，壓電振動(dòng)能量收集器可看成由無限個(gè)電感、電容、電阻、理想電壓源和理想變壓器組成的并聯(lián)支路共同構(gòu)成的等效電路網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)，在 PSPICE 軟件中選擇可控開關(guān) S1，其導(dǎo)通電壓為1V，截止電壓為 0V，并選用脈沖電壓源 Vc 作為開關(guān) S1 的控制源，設(shè)其低電平為 0V，高電平為 2V，脈沖寬度為 ，周期為