压电自供电遥控装置结构设计及电路优化研究

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无线遥控装置广泛应用于现代生活中,已经成为不可缺少的便携式电子产品。除了用于家用电子产品的控制外,无线遥控装置还广泛应用于军事、工业以及汽车行业等。一直以来,无线遥控装置的供电来源皆为传统化学电池,但是传统化学电池体积大,特定工作环境中更换不便,而且废弃电池回收不当还会造成严重的环境污染。面对全球早已日渐严峻的生态环境,人们开始寻找新的环保、节能的替代品。目前,在已有的几类能量回收技术(太阳能、电磁、静电以及压电)中,由于压电材料在产生能源的过程中,体现出其可持续回收与发展、能源产生效能高的明显优势,已得到广泛的研究和应用。本文主要针对压电自供电遥控装置在低频振动下能量产生效率和其能量收集电路两个部分的性能,设计制作了不同的压电发电装置以及对能量收集电路进行了优化,在此基础上设计了压电自供电遥控装置并进行了仿真与实验研究。本文首先介绍了压电陶瓷材料及压电振子主要采用的模型,由于销钉力模型(PinForce Model)和改进销钉力模型(Enhanced Pin-Force Model)具有一定的局限性和不足,不能得到精确的分析结果,所以在几种模型中选择考虑了多种影响因素的欧拉伯努利模型(Euler-Bernoulli Model),因其与压电发电装置的实际状态最为接近。然后利用具有高精确性的Euler-Bernoulli Model悬臂梁式单、双晶压电振子进行了建模并进行了仿真分析,优化压电振子的结构及尺寸进而提高压电振子的输出功率。为了提高压电能量收集电路的电能收集效率,建立了压电能量收集器的电学等效模型,将能量转化装置用等效电路来表示,将较为复杂的机电耦合关系转化为单一的电路问题来分析,将机电问题转变为电学问题。然后对目前成熟的压电能量收集电路进行了比较并进行了仿真分析。传统的同步电荷提取电路对于同步开关的控制通常需要外部电源的供电,而自供能同步电荷提取电路通过自供能模块可以自动对压电片的输出电压进行检测,进而闭合开关从压电换能器中提取能量。然后利用粒子群优化算法优化能量收集电路的结构参数。在以上理论与仿真分析原理的基础上,又对优化设计后的能量收集电路进行了不同振动频率的仿真分析,证明了自供能同步开关能量收集电路可以在不同频率下进行高效率的能量收集。然后搭建了压电遥控装置测试平台,对压电能量收集装置的输出结果进行了实验,实验结果与仿真结果较为一致,验证了优化后的能量收集电路电能转换与存储效率优于其他电路。最后通过3D打印机对压电遥控装置的整体结构进行设计制作并对其性能进行测试。
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