基于cymbal換能器能量采集系統(tǒng)的研究.pdf

1、隨著無(wú)線傳感器和便攜式電子設(shè)備的應(yīng)用日益廣泛，以化學(xué)電池為其主要供能方式存在諸多弊端，如體積大、質(zhì)量大、供能壽命有限，需要定期更換，以及由此所帶來(lái)的材料浪費(fèi)，環(huán)境污染等問(wèn)題不容忽視，尤其對(duì)于目前發(fā)展迅速的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電池供電的這種缺陷更明顯。為了解決這一技術(shù)難題，基于壓電理論的俘能技術(shù)可將環(huán)境中的振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，從而為上述電子產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)供能。同時(shí)壓電俘能器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不發(fā)熱、無(wú)電磁干擾、無(wú)污染和易于實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的微小化、集成

2、化等諸多優(yōu)點(diǎn)，且能滿足此類(lèi)低耗能產(chǎn)品的供能需求而成為目前的研究熱點(diǎn)之一。
　　本文針對(duì)cymbal俘能器開(kāi)展對(duì)壓電俘能技術(shù)進(jìn)行研究。首先通過(guò)有限元仿真，對(duì)單層壓電晶體結(jié)構(gòu)的cymbal換能器進(jìn)行研究，得出其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)cymbal換能器輸出電壓和諧振頻率的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，對(duì)具有多層壓電晶體結(jié)構(gòu)的cymbal換能器進(jìn)行仿真和對(duì)比分析，獲得了其電學(xué)連接方式對(duì)其輸出電壓的影響規(guī)律。最后，對(duì)cymbal換能器金屬帽的徑向開(kāi)槽、邊緣處徑

3、向開(kāi)槽及環(huán)形槽3種狀況進(jìn)行仿真，獲得了槽深、槽寬及槽數(shù)對(duì)換能器輸出電壓和機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響規(guī)律，為下一步的俘能器設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。
　　另外，本文設(shè)計(jì)了buck型DC-DC能量轉(zhuǎn)換電路。基于壓電發(fā)電裝置的等效機(jī)電模型，對(duì)能量存儲(chǔ)電路進(jìn)行了時(shí)序分析。以功率最大化為目標(biāo)，理論推導(dǎo)了能量存儲(chǔ)電路的占空比模型，得到了電路的最佳占空比等電學(xué)參數(shù)；同時(shí)用單片機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的占空比進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)了能量存儲(chǔ)電路硬件設(shè)計(jì)。
　　在上述理

4、論和電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了cymbal換能器的俘能實(shí)驗(yàn)?？疾炝藟弘娋w厚度對(duì)俘能性能的影響；考察了徑向和環(huán)向開(kāi)槽2種開(kāi)槽形式對(duì)換能器俘能性能的影響，并將結(jié)果與傳統(tǒng)的俘能器實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明開(kāi)槽的俘能器的最大輸出功率約是傳統(tǒng)俘能器的2倍；考察了激振頻率對(duì)俘能性能的影響，發(fā)現(xiàn)在低頻狀態(tài)下，輸出功率隨著激振頻率增大而增大；最后考察了電路參數(shù)變化對(duì)換能器的俘能性能影響，并與基本的能量采集電路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明本文的能量存儲(chǔ)電路