【摘 要】
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随着电子技术的发展,无源微型电子设备供电问题成为人们的研究热点。压电俘能器由于制作简单、能量转换效率较高等优点,成为国内外学者的研究对象。压电俘能器可俘获环境中的振动能量并将其转换成电能,然而由于自然环境中绝大多数的振动环境都是低频振动环境,且沿各个方向都有振动,因此本论文从悬臂梁式的压电俘能器出发,通过ANSYS有限元软件的分析以及实验验证,提出了阶梯形和田字形两种可以收集多方向振动能量的压电俘
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随着电子技术的发展,无源微型电子设备供电问题成为人们的研究热点。压电俘能器由于制作简单、能量转换效率较高等优点,成为国内外学者的研究对象。压电俘能器可俘获环境中的振动能量并将其转换成电能,然而由于自然环境中绝大多数的振动环境都是低频振动环境,且沿各个方向都有振动,因此本论文从悬臂梁式的压电俘能器出发,通过ANSYS有限元软件的分析以及实验验证,提出了阶梯形和田字形两种可以收集多方向振动能量的压电俘能器,可有效在低频振动环境下在多个振动方向上收集能量。首先对阶梯形压电俘能器进行了仿真分析及实验研究,分别研究了不同梁长、不同激励方向对输出性能的影响,其谐振频率在10-20Hz之间,满足实际环境中的低频振动频率范围。在谐振频率处,该结构有最大的电压及功率输出,半功率带宽约为1.5Hz。中间梁越长,左右梁长比越大,一阶谐振频率越低,匹配阻抗越大。选取左中右梁长分别为30mm、30mm、70mm,当在xoz面内沿与z轴15°方向施加0.5g的正弦激励加速度时,该结构有最大的输出性能,测试得到三个压电片的最大输出功率分别为2.30m W、1.11m W和0.64m W。为了更好地俘获多方向的振动能量,提出另外一种田字形压电俘能器,分析了杆长、质量块的位置及激励方向对其输出性能的影响。实测得到的开路电压及输出功率在10-20Hz内有1-2个峰值,单个峰值的半功率带宽在1.2Hz以上。杆长对沿x或y方向的振动模态有较大影响,杆长越长,其一三阶谐振频率越低。相比于质量块在中部的结构,将质量块放在四角可降低结构的谐振频率。当杆长为100mm,实测得到四个压电片并联后在二三阶模态频率处的最大输出功率分别为1.62m W和0.84m W。在xoz面内将激励方向由沿z轴方向逐渐变为沿x轴方向,10-20Hz内的两阶模态处对应的峰值逐渐偏移,即二阶模态频率处的峰值逐渐减小,三阶模态频率处的峰值逐渐增大,在0-90°内有两个峰值,使该结构不仅可以俘获多个方向的振动能量,同时也具有较大的带宽。压电俘能器产生的交流电需要匹配一个能量存储电路将交流电转换为直流电,由此本文提出一种改进的自供电串联同步开关电感能量收集电路,相比于标准能量收集电路和传统的串联同步开关电感能量收集电路,改进的电路仅有一个由双电容控制的单包络检测开关,大大减少了电路中的元器件,在保证具有较低最优负载的同时,也提高了最大输出功率,测得阶梯形和田字形压电俘能器的最大输出功率是标准能量收集电路的4.7倍以上。
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