基于PZT的有源及無源振動能量收集系統(tǒng)研究.pdf

1、物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和移動通信之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)的革命性發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由數(shù)量龐大的無線傳感器節(jié)點組成，并在一定區(qū)域內(nèi)來分布。無線傳感器節(jié)點的供電通常是采用電池方式，由于無線傳感器節(jié)點數(shù)量非常大，同時無線傳感器節(jié)點經(jīng)常處在惡劣環(huán)境或人員不能到達(dá)的環(huán)境中，因此無法保證為每個節(jié)點及時的更換電池。基于PZT(Lead Zirconate Titanate, PZT)壓電陶瓷實現(xiàn)有源和無源方式的機(jī)械振動能量收集系統(tǒng)將可以克服

2、無線傳感器節(jié)點傳統(tǒng)電池供電方式的缺點，實現(xiàn)對無線傳感器節(jié)點的永續(xù)供電。全文共分6章。
　　 第1章闡述了研究課題的意義以及主要研究內(nèi)容。首先對本課題研究的背景和實際研究意義進(jìn)行了說明，然后總結(jié)了目前國內(nèi)外有源能量收集和無源能量收集的方法及其優(yōu)缺點，最后提出論文的主要研究內(nèi)容。
　　 第2章闡述了壓電能量轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)理論。通過對壓電材料及壓電換能器的相關(guān)特性的說明和總結(jié)，為接下來的基于PZT壓電材料的振動能量收集研究奠定了理

3、論基礎(chǔ)。
　　 第3章對基于PZT的有源振動能量收集系統(tǒng)進(jìn)行了研究。本章首先基于縱-彎轉(zhuǎn)換氣介質(zhì)換能器構(gòu)建了有源振動能量收集系統(tǒng)，通過機(jī)電等效和類比的方法建立了基于PZT的有源振動能量收集系統(tǒng)的理論模型，基于聲波能量傳輸理論和電路理論對系統(tǒng)模型進(jìn)行了分析，最后通過仿真和實驗分析的方法對系統(tǒng)模型進(jìn)行了驗證。理論分析和實驗結(jié)果證明，將超聲波作為振動能量的傳輸媒介，可以在一定有效距離范圍內(nèi)進(jìn)行有源機(jī)械振動能量的收集。
　　 第

4、4章對基于PZT的無源振動能量收集VPG進(jìn)行了研究。本章首先對等長CVPG進(jìn)行了研究。為了消除等長CVPG的Roundy理論模型因未考慮質(zhì)量塊長度而帶來的誤差，在考慮質(zhì)量塊長度的前提下，以質(zhì)量塊質(zhì)心作用于懸臂梁處的撓度為自由度，建立了CVPG的模型，通過數(shù)值仿真和實驗分析的方法將該模型與Roundy模型進(jìn)行了比較和分析，該模型的精度要高于Roundy模型。為了提高單晶CVPG的能量轉(zhuǎn)化效率，接下來對不等長單晶CVPG進(jìn)行了研究，根據(jù)彈簧

5、-質(zhì)量塊-阻尼單自由度模型、結(jié)構(gòu)力學(xué)和壓電理論及熱平衡原理，建立了不等長單晶CVPG的理論模型，并采用數(shù)值模擬分析的方法對該模型進(jìn)行了分析，最后進(jìn)行了實驗分析。實驗結(jié)果與理論分析基本一致，驗證了理論模型的準(zhǔn)確性。理論研究和實驗測試結(jié)果表明，不等長單晶CVPG的壓電層和彈性層之間存在一個最佳長度比，這時不等長單晶CVPG的發(fā)電能力最強(qiáng)。針對寬頻振動能量收集，基于不等長單晶CVPG研究了CVPG陣列，并對其進(jìn)行了理論、仿真和實驗分析，分析結(jié)

6、果表明，CVPG陣列可以有效提高振動能量收集的頻率范圍，并且發(fā)電能力要高于單個CVPG。針對海洋波浪能量收集，基于不等長單晶CVPG設(shè)計了慣性自由振動方式和強(qiáng)制振動方式海洋波浪能量收集VPG并對其工作原理進(jìn)行了理論分析，加工制作了強(qiáng)制振動方式海洋波浪能量收集VPG并對其進(jìn)行了實驗分析，實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的強(qiáng)制振動方式海洋波浪能量收集VPG可以實現(xiàn)對海洋波浪能量的收集。
　　 第5章對能量轉(zhuǎn)換接口電路和振動能量收集系統(tǒng)進(jìn)行了研究

7、。采用電路仿真的方法對可調(diào)占空比Buck-Boost阻抗匹配電路與整流電路進(jìn)行了比較分析，分析結(jié)果表明，由于Buck-Boost阻抗匹配電路存在功率損耗，導(dǎo)致其工作效率相比于整流電路無明顯提高，因此在實際應(yīng)用中不宜采用Buck-Boost阻抗匹配電路。對振動能量收集系統(tǒng)和基于振動能量收集和太陽能收集的混合環(huán)境能量收集系統(tǒng)進(jìn)行了實驗研究，實驗結(jié)果表明，采用混合能量收集的方法可以使振動能量收集和太陽能收集這兩種環(huán)境能量收集方式實現(xiàn)優(yōu)缺點互補(bǔ)