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随着无线传感网络、嵌入式系统等新技术的发展,为这些器件进行供能成为一个难题,基于压电效应的能量采集技术可以将环境中的振动能转换为电能,而且其寿命长,无须更换,可以为微传感器和微控制器供电,因而成为目前的研究热点之一。
本文研究了压电能量采集器的结构和存储电路,设计制作了不同形式的压电能量结构和能量存储电路,主要研究内容如下:
(1)针对压电材料的d31和d33模式,建立了相应的矩形压电悬臂梁式能量采集器的理论模型,得出能量采集装置输出电压的表达式,从而确定了压电悬臂梁结构尺寸,材料特性对输出电压的影响,并建立了其有限元模型,将有限元结果和理论计算结果相比较,来验证理论计算的正确性。
(2)针对矩形压电悬臂梁的缺点,对其进行优化,设计和加工了梯形压电悬臂梁,首先对其串联和并联两种模式的输出结果进行测试和比较,然后对梯形压电悬臂梁的d31和d33模式输出结果进行测试和比较。
(3)针对悬臂梁式压电能量采集器一般只能应用其一阶谐振频率的特点,本文利用双质量块设计和制作了多频悬臂梁式压电能量采集器,降低了其二阶频率,增加了其利用带宽。
(4)针对一般用于周期性载荷情况下的压力式压电能量采集器,其压电材料只有一部分被用到这个缺点,本文将压电材料上的电极进行分块,充分利用其压电材料,提高输出功率。
(5)分析了压电能量采集的标准电路,并用其对超级电容器进行充电,发现了标准能量采集电路的缺点,本文将降压型开关转换电路引进来,并对其进行分析和仿真。基于这种原理,利用Liner公司的能量采集芯片LTC3588对超级电容器进行充电和测试。
(6)初步研究了目前用于收集噪声能量的单孔压电式亥姆赫兹共振器,并对其改进和有限元仿真,最后加工出试验样品,并进行了简单的测试。