【摘 要】
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近几十年的发展中,传感器等电子设备逐渐趋于MEMS方向。体积在趋于微型化的同时集成电路对功耗的需求也在逐渐降低。在传统供电方式中,采用电池供电时,其使用寿命短、不环保、不易更换等弊端日益显露。为了弥补传统电池供电的不足,有效的利用环境中的振动能,通过机械-电能转换,实现传感器的无源自供电,并提高供电效率,本文基于压电原理设计了双耳型悬臂梁结构的压电能量收集器及其转换电路。建立了收集器的电路模型、讨
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近几十年的发展中,传感器等电子设备逐渐趋于MEMS方向。体积在趋于微型化的同时集成电路对功耗的需求也在逐渐降低。在传统供电方式中,采用电池供电时,其使用寿命短、不环保、不易更换等弊端日益显露。为了弥补传统电池供电的不足,有效的利用环境中的振动能,通过机械-电能转换,实现传感器的无源自供电,并提高供电效率,本文基于压电原理设计了双耳型悬臂梁结构的压电能量收集器及其转换电路。建立了收集器的电路模型、讨论了其振动模式,设计了压电转换电路、并研究了电能输出特性。本文内容具体为:1.通过压电理论建立了收集器的机电转换模型并推导了其等效电路模型。利用ANSYS软件仿真研究了悬臂梁的长度对收集器的振动频率以及压电片占比对输出性能的影响。结果表明:传统悬臂梁压电能量收集器的一阶振动频率受体积影响较大,受频率制约体积很难进一步减小。压电片电极占比存在一个最佳比值使输出电压最大。2.设计了一种双耳型悬臂梁压电能量收集器,使其同时工作在d33和d31两种振动模式。ANSYS仿真和实验结果表明:与普通悬臂梁压电能量收集器相比,在相同体积时,双耳型压电能量收集器的一阶振动频率由107.548Hz降到77.6Hz降幅为27.8%。而输出电压由5.37V提高到6.22V增幅为15.8%;压电片电极占比为40%时,输出电能由100%电极时的0.65m W提高到了1.27m W增幅95.3%;输出功率不受压电片连接方式的影响,收集器的带负载能力方面,压电片串联时约为并联时的4倍,电能输出方面,压电片串联时的电压输出约为并联时的2倍,而电流输出约为并联时的1/2倍。3.设计了LTC3588-1转换电路,实验结果显示:电路的输出功率为1.02m W。同等条件下就输出功率的能力而言,其输出能力是并联同步开关电感电路的1.67倍,同时是标准能量收集电路的4.12倍。根据传感器对工作电压的不同要求,输出电压可以选择1.8V、2.5V、3.3V以及3.6V等多种模式,并在电路输出为3.6V时采用无线温度传感网络进行了测试。
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