【導讀】[摘要]伴隨著無線傳感器網絡技術和可攜帶器件的發(fā)展，電池續(xù)航供能成為其發(fā)展的瓶頸之一。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。收集器件需進一步優(yōu)化等。動模式以及收集電路和器件進行了比較分析，提出了壓電振動能量收集器的研究內容。最后，對全文工作進行了總結，并且對下一步計劃進行展望，提出新的研究思路。選題背景和意義································································&#1

　　

【正文】 CDC 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。假設串聯(lián)電感pL=1181。H，那么根據(jù)式 錯誤 !未找到引用源。 可得 LC 振蕩電路的周期為 *T =，于是開關電路的導通時間為 *2T =。另一方面，由前面的討論可知，壓電懸臂梁在第一階固有彎曲振動時的電壓輸出最大，因而我們設壓電懸臂梁的三個等效電壓源的頻率均為 ，那么無開關作用時壓電懸臂梁輸出電壓的周期為 T =，其半個周期為 2T =，那么開關電路的斷開時間就為 *22TT? =。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 ，這樣就完成了整個 SSHI 負載電路條件下壓電振動能量收集器等效電路的設計，如 錯誤 !未找到引用源。 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生大的影響。 錯誤 !未找到引用源。 顯示了穩(wěn)態(tài)時在第一階固有振動頻率下 SSHI 負載電路中的開關作用過程?？梢钥闯觯灰軌驀栏竦目刂崎_關的導通時間，那么在壓電懸臂梁輸出電壓的極值處發(fā)生電壓的翻轉是完全可以實現(xiàn)的。圖中因為整流橋的非線性截止和電感pL并非理想元件的緣故，使得電壓翻轉后的幅值小于翻轉前的值。 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。 圖 SSHI 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 圖 SSHI 負載電路的實現(xiàn)過程 本章小結 本章主要 分析了壓電懸臂梁與 ACDC 和并聯(lián) SSHI 負載電路相連時的電能輸出以及它們各自的能量轉換效率。首先模擬出壓電發(fā)電裝置的等效模型，分析研究 了電流電壓關系以及 ACDC 和并聯(lián) SSHI 負載電路條件下的機電耦合強度之間的關系；本章的研究內容是本 第 18 頁 共 23 頁 文研究展開的關鍵，為后續(xù)的仿真奠定堅實的理論基礎。 4 總結與展望 總結 壓電振動能量收集是近年來微能量收集領域的研究熱點。基于壓電效應的壓電材料具有輸出電壓高、能量密度大、結構簡單等特點，人們利用周圍環(huán)境的振動能并將其轉化為電能收集起來，為無線傳感網絡節(jié)點和可佩帶器件供電，這種能量收集技術代替了傳統(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 一種經濟、綠色、環(huán)保的節(jié)能方式。基于此等，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容。 （ 2） 通過原理分析的方式對懸臂梁式壓電振動能量收集器的機理進行了分析研究；通過對比不同壓電材料的參數(shù)和性能，選取了壓電陶瓷作為將振動能量轉換成電能的基礎材料；在壓電效應的基礎上，從介電物理的角度分析了壓電陶瓷材料的極化過程，總結了壓電陶瓷材料內部的電偶極矩在極化過程中的受力和變化過程，從而 在微電子學領域對壓電陶瓷的極化進行了分析；簡要說明了不同邊界條件下壓電材料的四種壓電方程，并根據(jù)壓電陶瓷材料的對稱特點，給出了壓電陶瓷的壓電方程；當環(huán)境振動頻率接近于壓電懸臂梁的固有振動頻率時，其電壓和功率輸出最大，但只有在最優(yōu)負載電阻時輸出功率才能取得最大值。上述結果使我們對壓電振動能量收集技術有了一個初步的認識，為后續(xù)實驗和進一步的分析研究奠定堅實的基礎。 （ 3） 完成壓電振動能量收集電路的設計并在面包板搭建完成，分析了壓電懸臂梁產生的開路電壓、總的電能以及負載功率的問題，并在此基礎對器件進行工藝設計。 展望 本文在前人研究的基礎上，對壓電振動能量收集中關鍵技術進行較為深度的研究，但還存在許多問題有待進一步研究。為此，下一步研究將從以下幾個方面展開： （ 1） 為獲得高的輸出電壓和收集多的能量，壓電材料的選擇尤為重要。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。 （ 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。 SSHI 電路在實驗 中實現(xiàn)的難點在于 LC 振蕩電路中斷開開關控制脈沖信號的產生，以及產生脈沖信號所需電能的來源。如果能利用壓電懸臂梁自身產生的電能來實現(xiàn)斷開開關的控制，那將是一個很有挑戰(zhàn)意義的工作。 （ 3） 下一步應全面設計由壓電振動能量收集器、功率調節(jié)電路、溫度傳感器和無線收發(fā)器組成的自供電式無線溫度監(jiān)測節(jié)點；并詳細對比分析帶充電模塊和不帶充電模塊的兩種功率調節(jié)電路的組成和它們各自的優(yōu)缺點；著重設計并討論兩種類型的功率調節(jié)電路，并實驗對比分析通過這兩種功率調節(jié)電路給無線溫度監(jiān)測節(jié)點供電時，無線溫度信號的監(jiān)測和發(fā)送過程以及供電電壓在時間 歷程上的區(qū)別。同時也要證明，功率調節(jié)電路對無線傳感器網絡節(jié)點的工作起到極其關鍵的作用，通過合理的功率調節(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絡是完全能夠實現(xiàn)的。 第 19 頁 共 23 頁 致謝 本論文的研究和撰寫是在導師王楠博士的直接指導和嚴格要求下完成的。從選題、查閱資料、開題至論文的定稿審閱，導師都付出了很多心血。王老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、積極靈活的處事方式、樂觀豁達的為人態(tài)度以及對事業(yè)孜孜不倦的追求精神永遠是我學習的榜樣。在學習生活中，導師不僅在學習中處處嚴格要求，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，從導師令人欽佩的人格魅力中學到了很多，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。 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。曾經互相學習、互相幫助，一起努力，共同成長的時光將是我生命中難忘而美好的回憶，再次祝福大家一切順利。 最后，感謝我的親人在我求學過程中給我的支持和鼓勵，為我解除了一切后顧之憂，使我能安心學習，他們是我不斷向前奮斗的源泉和動力。 第 20 頁 共 23 頁 參考文獻 [1] Romer K. And Mattern F. The design space of wireless sensor works. IEEE Wireless Communications,20xx,11(6):5461. [2] 杜冬梅 , 何青 , 張志 . 無線傳感器網絡能量收集技術分析 [J]. 微納電子技術 , 20xx, , (Z1): 430433. [3] Roundy SJ. Energy Scavenging for Wireless Sensor Nodes with a Focus on Vibration to Electricity Conversion[M]: University of California, Berkeley, 20xx. [4] Roundy S, Wright PK, Pister KSJ. Microelectrostatic vibrationtoelectricity converters[C]. New Orleans, LA, United states: American Society of Mechanical Engineers, 20xx: 487496. [5] Stordeur M, Stark I. Low power thermoelectric generator selfsufficient energy supply for micro systems[C]. Dresden, Ger: IEEE, 1997: 575577. [6] Starner T. Humanpowered wearable puting[J]. IBM Systems Journal, 1996, 35 (34): 618629. [7] Shenck NS, Paradiso JA. Energy scavenging with shoemounted piezoelectrics[J]. IEEE Micro, 20xx, 21 (3): 3042. [8] Mehra A, Zhang X, Ayon AA, et al. Sixwafer bustion system for a silicon micro gas turbine engine[J]. Journal of Microelectromechanical Systems, 20xx, 9 (4): 517527. [9] 彭玉利 . 太陽能光伏發(fā)電技術應用綜述 [J]. 河南科技 . [10] 王立端 , 李倇倪 , 張靜等 . 噪聲發(fā)電 [J]. 生態(tài)經濟 , 20xx, (02): 6265. [11] 巧云 . 噪聲發(fā)電 [J]. 青少年科技博覽 , 20xx, , (Z1): 1. [12] 趙建云 , 朱冬生 , 周澤廣等 . 溫差發(fā)電技術的研究進展及現(xiàn)狀 [J]. 電源 技術 , 20xx, 。 (03): 310313. [13] 鄭藝華 , 馬永志 . 溫差發(fā)電技術及其在節(jié)能領域的應用 [J]. 節(jié)能技術 , 20xx, (02): 142146. [14] Maneewan S, Khedari J, Zeghmati B, et al. Investigation on generated power of thermoelectric roof solar collector[J]. Renewable Energy, 20xx, 29 (5): 743752. [15] 張建中 , 任保國 , 王澤深等 . 放射性同位素溫差發(fā)電器在深空探測中的應用 [J]. 宇航學報 , 20xx, (02): 644647. [16] 高敏 , 張景韶 . 溫差電轉換及其應用 [M]: 兵器工業(yè)出版社 , 1996. [17] Roundy S, Frechette L. Energy Scavenging and Nontraditional Power Sources for Wireless Sensor Networks. Handbook of Sensor Networks. John Wiley amp。 Sons, Inc., 20xx: 75105. [18] Williams CB, Yates RB. Analysis of a microelectric generator for microsystems[J]. Sensors and Actuators, A: Physical, 1996, 52 (13): 811. [19] 袁江波 . 圓盤式壓電發(fā)電裝置發(fā)電性能及其關鍵技術研究 [D], 20xx. [20] 鹿存躍 , 周鐵英 , 陳宇等 . 壓電陶 瓷剪切模式用于超聲波電動機的研究 [J]. 微特電機 , 20xx, 35 (10): 4. [21] 胡洪平 , 高發(fā)榮 , 薛歡等 . 低頻螺旋狀壓電俘能器結構性能分析 [J]. 固體力學學報 , 20xx, 28 (1): 6. [22]陳子光 , 胡元太 , 楊嘉實 . 基于扭轉模態(tài)的角振動壓電俘能器研究 [J]. 應用數(shù)學和力學 , 20xx, 28 (6): 6. 第 21 頁 共 23 頁 附錄 第 22 頁 共 23 頁 第 23 頁 共 23 頁 畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導 下進行的研究工作及取得的成果。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學歷而使用過的材料。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。 作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日 期： 使用授權說明 本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計 （論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學校可以公布論文的部分或全部內容。 作者簽名： 日 期： 第 24 頁 共 23 頁 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體 已經發(fā)表或撰寫的成果作品。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。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權 大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 涉密論文按學 校規(guī)定處理。 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。 ：任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）。 、圖表要求： 1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準請他人代寫 2）工程設計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應符合國家技術標準規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫 3）畢業(yè)論文須用 A4 單面打印，論文 50 頁以上的雙面打印 4）圖表應繪制于無格子的頁面上 5）軟件工程類課題應有程序清單，并提供電 子文檔 1）設計（論文） 2）附件：按照任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）次序裝訂 3）其它