实现宽频响应的微小型压电式振动能量采集技术研究

论文摘要

无线传感器网络节点通常采用电池供电,而有限的电池能量制约了无线传感器网络生命周期。随着低功耗集成电路技术与电源管理技术的进步,可通过采集环境能量为传感器节点或其他便携式电子装置补给能量,从而延长它们的工作或生命周期,避免电池的频繁更换。利用压电效应原理采集环境中的振动能是环境能量采集技术中的一种主要方式,但振动能量采集、电能转移和存储的效率偏低以及谐振响应带宽较窄是影响压电式振动能量采集技术实用化的关键因素。面向无线传感器网络应用,本文针对微小型压电式振动能量采集技术展开研究。以悬臂梁结构的压电式振动能量采集装置为研究对象,根据压电效应原理,建立了压电振子振动能量转换的理论模型,以最大输出功率为目标,采用遗传算法,对不同外部环境振动激励下压电振子的材料选择与结构参数进行了优化分析；建立了悬臂梁压电振子的有限元模型,进行了有限元仿真分析；针对悬臂梁结构的单自由度压电振子谐振响应带宽过窄的问题,设计了一种由两个梯形悬臂梁结构压电振子和连接弹簧构成的二自由度压电振子,并对其结构参数进行了优化设计；最后根据压电振子工作时的输出电能特点,设计了一种具有同步电荷转移功能、输出电压阈值可调且自身功率消耗低的功率调理电路,并利用Pspice电路仿真软件对该电路进行了仿真与优化分析。仿真结果表明本文设计的压电式振动能量采集装置具有较宽的谐振响应带宽,易于与环境振源频率匹配,同时能高效地实现振动能采集、转移和存储。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 压电式振动能量采集技术国内外研究现状
• 1.3 目前压电式振动能量采集关键技术分析
• 1.4 论文研究内容及组织结构
• 第二章 压电效应与压电振子基本理论
• 2.1 压电效应与压电材料
• 2.1.1 压电效应
• 2.1.2 压电材料
• 2.1.3 压电材料的压电性能参数
• 2.2 压电方程
• 2.3 压电振子
• 2.3.1 压电振子振动模式
• 2.3.2 压电振子支撑方式
• 2.3.3 压电振子连接方式
• 2.4 本章小结
• 第三章 压电振子建模与优化分析
• 3.1 压电振子数学建模
• 3.1.1 静力学模型分析
• 3.1.2 动力学模型分析
• 3.1.3 等效电路模型分析
• 3.2 基于遗传算法的参数优化分析
• 3.2.1 遗传算法简介
• 3.2.2 压电振子结构参数优化问题
• 3.2.3 遗传算法的参数约束与条件约束
• 3.2.4 优化结果
• 3.3 有限元仿真分析
• 3.3.1 压电振子有限元建模
• 3.3.2 压电振子静力学有限元仿真分析
• 3.3.3 压电振子动力学有限元仿真分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 实现宽频响应的压电振子设计与分析
• 4.1 一种实现宽频响应的二自由度压电振子设计
• 4.2 基于ANSYS结构优化的二自由度压电振子设计方法
• 4.2.1 ANSYS结构优化设计介绍
• 4.2.2 实现宽频响应的二自由度压电振子设计方法
• 4.3 基于ANSYS优化的宽频响应二自由度压电振子设计实例
• 4.3.1 二自由度压电振子参数优化实例
• 4.3.2 仿真分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 功率调理电路设计与仿真分析
• 5.1 功率调理电路设计思想
• 5.2 功率调理电路设计
• 5.2.1 同步电荷转移模块
• 5.2.2 可控电压阈值DC/DC转换模块
• 5.3 仿真与优化分析
• 5.3.1 电路仿真分析
• 5.3.2 电路参数优化分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的项目和主要研究成果