【導(dǎo)讀】[摘要]伴隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(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)。收集器件需進(jìn)一步優(yōu)化等。動模式以及收集電路和器件進(jìn)行了比較分析，提出了壓電振動能量收集器的研究內(nèi)容。最后，對全文工作進(jìn)行了總結(jié)，并且對下一步計劃進(jìn)行展望，提出新的研究思路。選題背景和意義································································&#1

　　

【正文】 CDC 負(fù)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(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，難點(diǎn)在于導(dǎo)通開關(guān)控制信號的設(shè)置。假設(shè)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(guān)電路的導(dǎo)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(shè)壓電懸臂梁的三個等效電壓源的頻率均為 ，那么無開關(guān)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(guān)電路的斷開時間就為 *22TT? =。此時，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 ，這樣就完成了整個 SSHI 負(fù)載電路條件下壓電振動能量收集器等效電路的設(shè)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(chǎn)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(fù)載電路中的開關(guān)作用過程?？梢钥闯?，只要能夠嚴(yán)格的控制開關(guān)的導(dǎo)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(zhuǎn)是完全可以實(shí)現(xiàn)的。圖中因?yàn)檎鳂虻姆蔷€性截止和電感pL并非理想元件的緣故，使得電壓翻轉(zhuǎn)后的幅值小于翻轉(zhuǎn)前的值。 因此，在設(shè)計 SSHI 負(fù)載電路時，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)計時必須權(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。 圖 SSHI 負(fù)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(fù)載電路的實(shí)現(xiàn)過程 本章小結(jié) 本章主要 分析了壓電懸臂梁與 ACDC 和并聯(lián) SSHI 負(fù)載電路相連時的電能輸出以及它們各自的能量轉(zhuǎn)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(guān)系以及 ACDC 和并聯(lián) SSHI 負(fù)載電路條件下的機(jī)電耦合強(qiáng)度之間的關(guān)系；本章的研究內(nèi)容是本 第 18 頁 共 23 頁 文研究展開的關(guān)鍵，為后續(xù)的仿真奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。 4 總結(jié)與展望 總結(jié) 壓電振動能量收集是近年來微能量收集領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?；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(diǎn)，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(diǎn)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(fèi)，有效利用了廣泛存在但被浪費(fèi)了的振動能，使得能源得到了循環(huán)利用，是 一種經(jīng)濟(jì)、綠色、環(huán)保的節(jié)能方式?；诖说?，本文就壓電振動能量收集的主要技術(shù)進(jìn)行了研究，具體總結(jié)如下： （ 1） 研究了目前國內(nèi)外壓電振動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)而提出了壓電振動能量收集器的研究內(nèi)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(jī)理進(jìn)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(zhuǎn)換成電能的基礎(chǔ)材料；在壓電效應(yīng)的基礎(chǔ)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(jié)了壓電陶瓷材料內(nèi)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(xué)領(lǐng)域?qū)弘娞沾傻臉O化進(jìn)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(diǎn)，給出了壓電陶瓷的壓電方程；當(dāng)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(fù)載電阻時輸出功率才能取得最大值。上述結(jié)果使我們對壓電振動能量收集技術(shù)有了一個初步的認(rèn)識，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)和進(jìn)一步的分析研究奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 （ 3） 完成壓電振動能量收集電路的設(shè)計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)對器件進(jìn)行工藝設(shè)計。 展望 本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對壓電振動能量收集中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行較為深度的研究，但還存在許多問題有待進(jìn)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(zhuǎn)換能量時，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。 （ 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(shí)驗(yàn)方面對此電路加以證明。 SSHI 電路在實(shí)驗(yàn) 中實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于 LC 振蕩電路中斷開開關(guān)控制脈沖信號的產(chǎn)生，以及產(chǎn)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(chǎn)生的電能來實(shí)現(xiàn)斷開開關(guān)的控制，那將是一個很有挑戰(zhàn)意義的工作。 （ 3） 下一步應(yīng)全面設(shè)計由壓電振動能量收集器、功率調(diào)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(diǎn)；并詳細(xì)對比分析帶充電模塊和不帶充電模塊的兩種功率調(diào)節(jié)電路的組成和它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)；著重設(shè)計并討論兩種類型的功率調(diào)節(jié)電路，并實(shí)驗(yàn)對比分析通過這兩種功率調(diào)節(jié)電路給無線溫度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)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(diào)節(jié)電路對無線傳感器網(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(luò)是完全能夠?qū)崿F(xiàn)的。 第 19 頁 共 23 頁 致謝 本論文的研究和撰寫是在導(dǎo)師王楠博士的直接指導(dǎo)和嚴(yán)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(dǎo)師都付出了很多心血。王老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、積極靈活的處事方式、樂觀豁達(dá)的為人態(tài)度以及對事業(yè)孜孜不倦的追求精神永遠(yuǎn)是我學(xué)習(xí)的榜樣。在學(xué)習(xí)生活中，導(dǎo)師不僅在學(xué)習(xí)中處處嚴(yán)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(shí)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。 同時，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。曾經(jīng)互相學(xué)習(xí)、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(xué)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(xué)習(xí)，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(xiàn) [1] Romer K. 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