【摘 要】
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无线传感技术作为产业智能化的核心分支,其呈现出精密化、集成化趋势,如何为其末梢的大量无线传感器供能成为了热门研究方向。随着无线传感网络系统功耗水平逐渐降低,利用压电能量收集技术收集环境中的振动能量为各种无线传感器供能成为了一种可行的解决方案。堆叠型压电陶瓷具有高机电转换效率、高抗压强度和较宽的工作频带等优点,故本文研制了以堆叠型压电陶瓷为基础的压电能量收集装置。为了研究堆叠型压电陶瓷能量收集性能,
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无线传感技术作为产业智能化的核心分支,其呈现出精密化、集成化趋势,如何为其末梢的大量无线传感器供能成为了热门研究方向。随着无线传感网络系统功耗水平逐渐降低,利用压电能量收集技术收集环境中的振动能量为各种无线传感器供能成为了一种可行的解决方案。堆叠型压电陶瓷具有高机电转换效率、高抗压强度和较宽的工作频带等优点,故本文研制了以堆叠型压电陶瓷为基础的压电能量收集装置。为了研究堆叠型压电陶瓷能量收集性能,本文首先总结了压电能量收集技术的研究现状,包括悬臂梁结构设计、宽频压电能量收集技术和能量回收接口电路,同时归纳了堆叠型压电陶瓷能量收集的研究方法和应用场景。接着介绍了压电材料和堆叠型压电陶瓷的相关理论,由此确定了堆叠型压电陶瓷及其能量收集装置的设计方案。根据上述方案建立了堆叠型压电陶瓷在准静态模式的相关理论模型,进一步求解了整个能量收集系统的动力学方程。接下来在Simulink环境中搭建了整个堆叠型压电能量收集系统的模型,对比研究堆叠型压电陶瓷在不同条件下的性能。最后制作了堆叠型压电陶瓷及其能量收集装置,并搭建振动能量收集实验平台,通过实验研究了堆叠型压电陶瓷的能量收集性能。在理论、仿真和实验研究中引入了由随机振动分析所得到的叠加非谐波周期型号。理论研究结果表示,堆叠型压电陶瓷在最佳负载下理论输出功率可达3.69mW,叠加信号输入下的开路电压峰值为14V;仿真研究结果表明,输入叠加信号激励和使用并联同步开关电感收集电路进行整流能够提升堆叠型压电陶瓷的能量收集性能,并且整个能量收集系统能够为锂电池充电;实验验证了理论和仿真研究的准确性,所提出的能量收集装置在振动加速度为8g时,平均充电功率的范围为1.23mW-1.64mW,压电堆叠的有效功率密度可达3.15 mW/cm3。本研究提供了一种能够收集大作用力场景下振动能量的方案,为堆叠型压电陶瓷的应用提供了指导。
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