基于cymbal换能器能量采集系统的研究

论文摘要

随着无线传感器和便携式电子设备的应用日益广泛,以化学电池为其主要供能方式存在诸多弊端,如体积大、质量大、供能寿命有限,需要定期更换,以及由此所带来的材料浪费,环境污染等问题不容忽视,尤其对于目前发展迅速的无线网络和嵌入式系统来说,电池供电的这种缺陷更明显。为了解决这一技术难题,基于压电理论的俘能技术可将环境中的振动能转换为电能,从而为上述电子产品实现供能。同时压电俘能器具有结构简单、不发热、无电磁干扰、无污染和易于实现机构的微小化、集成化等诸多优点,且能满足此类低耗能产品的供能需求而成为目前的研究热点之一。本文针对cymbal俘能器开展对压电俘能技术进行研究。首先通过有限元仿真,对单层压电晶体结构的cymbal换能器进行研究,得出其结构参数对cymbal换能器输出电压和谐振频率的影响规律。在此基础上,对具有多层压电晶体结构的cymbal换能器进行仿真和对比分析,获得了其电学连接方式对其输出电压的影响规律。最后,对cymbal换能器金属帽的径向开槽、边缘处径向开槽及环形槽3种状况进行仿真,获得了槽深、槽宽及槽数对换能器输出电压和机械结构稳定性的影响规律,为下一步的俘能器设计奠定了理论基础。另外,本文设计了buck型DC-DC能量转换电路。基于压电发电装置的等效机电模型,对能量存储电路进行了时序分析。以功率最大化为目标,理论推导了能量存储电路的占空比模型,得到了电路的最佳占空比等电学参数;同时用单片机对转换开关的占空比进行控制,从而实现了能量存储电路硬件设计。在上述理论和电路设计的基础上,进行了cymbal换能器的俘能实验。考察了压电晶体厚度对俘能性能的影响;考察了径向和环向开槽2种开槽形式对换能器俘能性能的影响,并将结果与传统的俘能器实验结果进行了对比,结果表明开槽的俘能器的最大输出功率约是传统俘能器的2倍;考察了激振频率对俘能性能的影响,发现在低频状态下,输出功率随着激振频率增大而增大;最后考察了电路参数变化对换能器的俘能性能影响,并与基本的能量采集电路进行了实验对比,结果表明本文的能量存储电路性能优越。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 压电发电装置的研究现状
• 1.2.1 压电材料的研究现状
• 1.2.2 压电振子的研究现状
• 1.2.3 能量采集电路的研究现状
• 1.2.4 能量存储装置的研究现状
• 1.3 能量采集系统的应用
• 1.4 课题研究的内容
• 第2章 cymbal 换能器的有限元分析
• 2.1 压电方程
• 2.2 cymbal 换能器有限元分析
• 2.2.1 结构参数对cymbal 换能器性能的影响
• 2.2.2 模态分析
• 2.3 开槽的cymbal 换能器有限元分析
• 2.3.1 边缘处径向开槽
• 2.3.2 径向开槽
• 2.3.3 环向开槽
• 2.4 多层压电振子的cymbal 换能器有限元分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 能量采集电路的设计
• 3.1 能量采集电路模型
• 3.2 能量采集电路分析
• 3.2.1 压电发电装置的机电模型
• 3.2.2 DC-DC 转换电路的工作过程
• 3.2.3 能量采集分析
• 3.2.4 占空比确定
• 3.3 能量采集电路的硬件设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 能量采集系统的实验
• 4.1 cymbal 换能器的制作
• 4.2 实验装置
• 4.3 cymbal 换能器性能测试实验
• 4.3.1 压电晶片厚度对换能器性能影响的测试
• 4.3.2 开槽对换能器性能影响的测试
• 4.3.3 激振频率对能量采集影响的测试
• 4.4 能量采集电路测试实验
• 4.4.1 占空比对能量采集影响的测试
• 4.4.2 Buck 型能量采集电路与标准电路的比较
• 4.4.3 电感对能量采集影响的测试
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢