基于環(huán)境振動(dòng)的電磁與壓電混合方式能量收集系統(tǒng)研究.pdf

1、計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信的發(fā)展非常迅速，推動(dòng)了又一次信息產(chǎn)業(yè)的革命性發(fā)展，信息交互和通信的物與物之間的交互網(wǎng)絡(luò)得以實(shí)現(xiàn)，這種信息交互網(wǎng)我們稱之為物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)中無(wú)的線傳感器網(wǎng)絡(luò)是互聯(lián)互通的，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的基礎(chǔ)是數(shù)量龐大的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，物聯(lián)網(wǎng)中各個(gè)區(qū)域都有節(jié)點(diǎn)分布，用以完成數(shù)據(jù)采集，從而可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制等各種任務(wù)。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的供電是一個(gè)難以解決的問(wèn)題，一般采用化學(xué)電池，但是由于節(jié)點(diǎn)的數(shù)量非常大，而且有的傳感器節(jié)點(diǎn)所處的環(huán)境較為惡劣，甚

2、至處于人員不能到達(dá)的環(huán)境中，因此無(wú)法保證及時(shí)的發(fā)現(xiàn)電源不足的電池，并及時(shí)更換這些電池。現(xiàn)今，廣泛應(yīng)用的無(wú)線型低功耗器件越來(lái)越多，器件的物理尺寸越來(lái)越小，電池位置記錄和管理維護(hù)就變得更加困難。更換工作隨之增加，而與之矛盾的是，在某些條件下，有的環(huán)境無(wú)法完成電池的更換工作。因此，人們想到一種可行的方法是通過(guò)特定方式，收集和轉(zhuǎn)化周圍環(huán)境振動(dòng)能來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)特定環(huán)境下低功耗器件供能，本文研究將環(huán)境振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能，并通過(guò)能量轉(zhuǎn)換電路將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為輸

3、出特定電壓的電源系統(tǒng)，具有一定的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。全文共分六章。
　　第一章闡述了電磁與壓電混合式能量收集的研究背景、意義以及主要研究?jī)?nèi)容。首先介紹了振動(dòng)能量收集技術(shù)的研究背景，并對(duì)其研究意義進(jìn)行了說(shuō)明，然后介紹了目前國(guó)內(nèi)外能量收集技術(shù)的常見(jiàn)形式，比較了四種常見(jiàn)能量收集技術(shù)的特點(diǎn)，介紹了振動(dòng)能量收集技術(shù)及其在低頻振動(dòng)能量收集領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，介紹了四種主要的振動(dòng)能量收集實(shí)現(xiàn)方式，分析提出論文的主要研究?jī)?nèi)容。第二章對(duì)電磁與壓電混合式

4、振動(dòng)能量收集技術(shù)的相關(guān)理論進(jìn)行介紹。對(duì)電磁感應(yīng)和壓電效應(yīng)相關(guān)理論進(jìn)行介紹以及相關(guān)特性進(jìn)行總結(jié)和說(shuō)明，對(duì)電磁感應(yīng)和壓電效應(yīng)的相似性進(jìn)行了研究說(shuō)明。第三章對(duì)電磁和壓電混合式振動(dòng)能量收集系統(tǒng)模型進(jìn)行研究。分析其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)發(fā)電性能的影響，具體內(nèi)容如下:首先，建立壓電懸臂梁的數(shù)學(xué)模型，分析其結(jié)構(gòu)參數(shù)與共振頻率以及輸出電壓的關(guān)系。建立電磁發(fā)電結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，分析電磁部分結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)輸出性能的影響。分析確定了電磁和壓電混合式振動(dòng)能量收集裝置的主要參

5、數(shù)。第四章根據(jù)數(shù)學(xué)模型分析確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)，制作樣機(jī)，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)性能。針對(duì)懸臂梁型電磁和壓電混合方式的振動(dòng)能量收集，設(shè)計(jì)了基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。首先，選擇適合的硬件，搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用激振器模擬外界環(huán)境中的振動(dòng)源，用數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)激振器控制和對(duì)數(shù)據(jù)的采集。然后，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了壓電和電磁能量收集的開(kāi)路電壓，驗(yàn)證理論模型，同時(shí)分析了引起實(shí)驗(yàn)誤差的主要原因。最后，測(cè)試了諧振狀態(tài)下系統(tǒng)的開(kāi)路輸出電壓以及系統(tǒng)的輸出功率。同時(shí)驗(yàn)證了

6、電磁和壓電混合式能量收集方式能夠有效地將外界環(huán)境中的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能。第五章對(duì)振動(dòng)能量收集與轉(zhuǎn)換的接口電路進(jìn)行研究，利用仿真軟件對(duì)接口電路的基本單元進(jìn)行分析。首先介紹了橋式整流電路以及倍壓整流電路的基本原理，對(duì)其進(jìn)行仿真分析;其次分析了兩種形式濾波電路并通過(guò)仿真觀察其濾波效果;再次介紹了降壓和升壓斬波電路兩種直流變換電路的基本原理，通過(guò)仿真觀察其升降壓效果;然后對(duì)壓電和電磁能量收集的整流濾波電路進(jìn)行仿真分析，觀察負(fù)載功率特性;最后，對(duì)