【正文】 對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。同時也要證明，功率調(diào)節(jié)電路對無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的工作起到極其關鍵的作用，通過合理的功率調(diào)節(jié)電路，以轉換環(huán)境振動能量成電能的壓電振動能量收集器為電源的自供電式無線溫度傳感器網(wǎng)絡是完全能夠?qū)崿F(xiàn)的。 因此，在設計 SSHI 負載電路時，一方面要盡量避免使用較小的電感值，因為 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，這就要求在設計時必須權衡二者之間的關系，以期達到壓電懸臂梁的最大能量轉換效率。仿真過程中，以電壓源的頻率為掃描參數(shù)，仿真時間設為 ，這樣通過改變負載電阻 的大小就可得到不同負載電阻時壓電懸臂梁的輸出電壓和功率與激勵頻率之間的關系。 壓電陶瓷產(chǎn)生的電荷是瞬間和交替的，是以不規(guī)則的隨機突發(fā)形式提供能量，因此必須在一個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（當振動能傳遞到壓電材料時，由于壓電效應而轉化為電能，在材料內(nèi)部產(chǎn)生交流電壓，而當材料內(nèi)部電阻太大（相當于短路）或電阻太?。ㄏ喈斢诙搪罚r，產(chǎn)生的電能未消，會再次轉化為振動能即產(chǎn)生阻礙壓電材料進一步變形的反作用力）。 材料與結構的優(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。所謂機械自由是指壓電材料可以自由變形，此時的應力 T 為零或常數(shù)；機械夾持是指壓電材料不能自由變形，此時的應變 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耦合 ACDC 電能收集系統(tǒng)的電能特性類似。 Cho 對比分析了懸臂梁型、堆棧型和薄膜型的壓電能量收集器，結果發(fā)現(xiàn)，能量轉換效率主要由壓電材料的品質(zhì)因數(shù)和機電耦合系數(shù)決定。近十 多年來，隨著壓電變壓器的設計、制作以及應用等方面的迅速發(fā)展，已成功應用于筆記本電腦中。為此，本文的研究主要圍繞壓電式振動能量收集器而展開。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)電技術產(chǎn)業(yè)應用的最主要原因。那么可以想象，在一個體育場，幾萬人一起吶喊鼓掌產(chǎn)生的能量也是相當巨大的。 我們可以發(fā)現(xiàn)，從用電設備的長遠工作來看，通過能量收集技術提供電能要明顯優(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，接下來我們就對常見的能量收集技術進行簡要的說明。 近些年來，基于環(huán)境的能量收集技術引起了國內(nèi)外專家學者的廣泛關注。 6 能量收集電路與能量轉換效率 其中利用壓電材料把振動 能轉換為電能越來越受到關注，成為能量領域的研究熱點。 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，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能量收集技術及其在無線傳感器網(wǎng)絡中的應用。 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換為電能，能量轉換過程簡單，它是直接將光能轉換為電能，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現(xiàn)，況且過高的分貝值對人耳來說是難以承受的?？梢钥闯?，這些常見的振動源頻率都介于 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振動并非普遍存在，因而這種柱筒式結構很少用于振動能量的收集中，反而在壓電制動器中應用較多。美國的 等提了一種結構緊湊的壓電能量收集裝置，帶有由四個二極管和一個電容器組成的整流電 路，并對圓形和方形兩種界面的裝置做了發(fā)電性能測試。 在一些特殊的場合，需要設備自供電運行 ，而自供電的關鍵技術是其能量捕獲。 Ottman 設計了一種降壓開關電路， 并實驗證明 了在線性負載和弱耦合的情況下，這種開關電路能夠?qū)弘娬駝幽芰渴占鞯妮敵龉β侍岣?00%。 1880 年 J. 居里和 P. 居里兄弟發(fā)現(xiàn)了壓電效應。 這四類壓電方程的形式會因壓電材料的不同而有所差別，這主要是因為不同壓電材料的對稱性不同，從而引起壓電方程中力學和電學參數(shù)的獨立分量的個數(shù)有所差別。因此，需要對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載電阻之間的關系進行優(yōu)化選擇分析。當外力減小或消失時，為避免充電電容向壓電元件放電而導致儲存的點呢過下降，在電路中接入一個二極管，由于電容 C0 在充電過程中以及在給外接電路供電時，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 負載電路條件下的壓電振動能量收集器的多模態(tài)等效電路 SSHI 負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 負載電路條件下的壓電懸臂梁輸出電壓時，難點在于導通開關控制信號的設置?；诖说?，本文就壓電振動能量收集的主要技術進行了研究，具體總結如下： （ 1） 研究了目前國內(nèi)外壓電振動能量收集存在的問題，比較了器件結構和收集電路各部分的優(yōu)缺點，進而提出了壓電振動能量收集器的研究內(nèi)容。 同時，感謝四年來陪我走過的同學們，大家給了我學習和生活上的很多關心和幫助，從大家身上也學習了很多。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導師簽名： 日期： 年 月 日 第 25 頁 共 23 頁 注 意 事 項 （論文）的內(nèi)容包括： 1）封面（按教務處制定的標準封面格式制作） 2）原創(chuàng)性聲明 3）中文摘要（ 300 字左右）、關鍵詞 4）外文摘要、關鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入） 6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結論 7）參考文獻 8）致謝 9）附錄（對論文支持必要時） ：理工類設計（論文）正文字數(shù)不少于 1 萬字（不包括圖紙、 程序清單等），文科類論文正文字數(shù)不少于 萬字。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，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 及其它教育機構的學位或?qū)W歷而使用過的材料。由于采用壓電材料轉換能量時，壓電材料是能量轉換的關鍵，下一步可選擇具有高壓電系數(shù)、大機電耦合系數(shù)、低損耗的弛豫鐵電單晶或者陶瓷，以獲得更優(yōu)異的能量轉換性能。 所示，其中電容值為 1fF 的電容 C4 用來提高整個仿真過程中的收斂程度，其不會對整個電路產(chǎn)生大的影響。其中 ，每一個并聯(lián)支路代表每一階振動模態(tài)。 圖 壓電陶瓷與外界電路并聯(lián)的等效電路模型 電路相關的電壓和電流波形圖如圖 所示。 Q 機械品質(zhì)因數(shù)表征壓電體諧振時克服內(nèi)摩擦而消耗的能量，時考察機械損耗的一個重要參量，對于能量轉換器而言，機械品品質(zhì)因數(shù)越高，機械損耗越小 越好，這樣能把更多的機械能轉換成電能。前者的代表是石英晶體，它的突出特點是性能穩(wěn)定、機械強度高，而且絕緣性能好，但是它的壓電系數(shù)較小，且價格較貴，一般僅用在標準儀器的制作中。然而，該團隊在分析中假設壓電發(fā)電機的位移和輸出電壓是同相位的，這就導致其理論模型只適合于共振條件下的分析，而實際應用時，壓電振動能量收集器并非總是工作于共振條件下。由于 RAC 型能量收轉換類型 優(yōu)點 缺點 能量密度(mJ/cm3) 靜電式 電壓輸出高 較好的 MEMS 兼容性 結構設計復雜 需要啟動電源 4 電磁式 技術成熟 無需啟動電源 結構較為簡單 難以由 MEMS 技術實現(xiàn) 體積大 輸出電壓低 壓電式 易 于由 MEMS 技術實現(xiàn) 輸出能量密度大 結構簡單，無需啟動電源，無電磁干擾 單個壓電發(fā)電機輸出電能有限 轉換效率較低 阻抗大，難于實現(xiàn)與負載的阻抗匹配 第 8 頁 共 23 頁 集電路最為簡單，因而對壓電振動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 共 23 頁 微能源器件是微機電系統(tǒng)的一個重要分支，而微機電系統(tǒng)（ MEMS）則是二十一世紀的研究領域之一。 對比上述靜電式、電磁式和壓電式振動能量收集器可以發(fā)現(xiàn)，靜電式振動能量收集器可以通過硅微加工技術制造，并進行批量生產(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 電磁式振動能量收集器也稱為電感式振動能量收集器，其轉換原理與法拉第發(fā)電機的電磁感應原理相同。利用這些熱電材料制成的溫差發(fā)電設備具有體積小、重量輕、無振動、運行無噪音、工作壽命長和在極端惡劣環(huán)境下可長時間工作的優(yōu)點，非常適合于各種無人監(jiān)視的傳感器、衛(wèi)星電源、燈塔和導航標識以及醫(yī)學和生理學研究領域。從 中可以看出，在戶外太陽直射和陰天的條件下太陽能轉換成電能的功率輸 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。 因為電池壽命的限制 ， 在 使用時會遇到一系列的問題， 而且 在某些場合下更換電池是一項成本很高甚至于不可能完成的工作。 18 致謝 10 壓電能量轉換基本理論 2 振動能量收集方法 19 參考文獻 盡 管隨著電池技術的 逐漸 發(fā)展， 開發(fā)者 可以通過增大電池容量來延長 電池的使用 年限， 可 是當前電池增容技術的發(fā)展 速度還是 遠遠落后于無線電子器件。從 錯誤 !未找到引用源。而且，太陽能收集技術的電能輸出與光照大小有很大的關系。 用于溫差發(fā)電的熱電材料主要以半導體材料為主，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，那么當可動極板在環(huán)境振動的帶動下發(fā)生往復運動時，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形成電流，從而將外部的振動能量轉換成電能輸出。此外， Kim 和中南大學的陳子光等 [22]分別設計和實驗分析了鐃鈸型和柱筒扭轉型壓電振動能量收集器。 壓電發(fā)電技術的研究已經(jīng)取得了很大的進展和成果，但同時也面臨著更大的挑戰(zhàn)，壓電發(fā)電技術的發(fā)展主要圍繞以下幾個方面展開。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電阻負載，壓電振動能量收集器與電阻負載直接相連，如 (a)所示。 Richard 的團隊以此SSD 技術為基礎，開發(fā)出了適合于提高壓電振動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： 輸入的機械能機械能轉換成的電能K 2 ? （ ） 輸入的電能電能轉換成的機械能K 2 ? （ ） K 越大，說明材料的機電轉換能力強。假設直流濾波電容 Crect 足夠大使輸出電壓 Vrect基本恒定；負載電阻上電壓為 i0（ t）；假設二極管處于理想狀態(tài)，負載可調(diào)。 表 機電參數(shù)的類比關系 電學量 機械量 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 機電耦合系數(shù) ( ) ( )? kkVrK? 從 表 3 中可以得出，壓電振動能量收集器可看成由無限個電感、電容、電阻、理想電壓源和理想變壓器組成的并聯(lián)支路共同構成的等效電路網(wǎng)絡。此時，在 PSPICE 軟件中選擇可控開關 S1，其導通電壓為1V，截止電壓為 0V，并選用脈沖電壓源 Vc 作為開關 S1 的控制源，設其低電平為 0V，高電平為 2V，脈沖寬度為 ，周期為