蒲公英狀多方向?qū)掝l帶壓電振動能量采集研究.pdf

1、振動能在自然界廣泛存在，通過采集振動能給無線傳感器節(jié)點或自治型電子設(shè)備供電可大大減少干電池的使用，是節(jié)能環(huán)保的綠色能源技術(shù)，因而具有重要的研究價值。近年來振動能量采集器獲得長足的發(fā)展。但是，目前所研究的振動能量采集器在對外界環(huán)境振動激勵的頻率變化和方向變化的適應(yīng)性方面還剛剛起步，有待深入研究。
　　本論文提出一種具有多方向和寬頻帶振動能量采集功能的蒲公英狀振動能量采集器。為從整體上研究蒲公英狀多方向壓電振動能量采集結(jié)構(gòu)的發(fā)電性能，

2、先從結(jié)構(gòu)設(shè)計方面重點研究其能量收集的多方向性。首先，根據(jù)振動的合成與分解原理建立了單懸臂梁發(fā)電性能的理論模型，并數(shù)值模擬分析了單懸臂梁主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和外界激勵方向?qū)ζ浒l(fā)電性能的影響關(guān)系。在上述研究基礎(chǔ)上，為研究不同外界激勵方向下，蒲公英狀多方向壓電振動能量采集結(jié)構(gòu)的發(fā)電性能，建立了不同方向下蒲公英狀多方向壓電振動能量采集結(jié)構(gòu)發(fā)電性能的理論模型，并數(shù)值模擬了外界激勵方向?qū)ζ压疃喾较驂弘娬駝幽芰坎杉Y(jié)構(gòu)發(fā)電性能的影響關(guān)系。接著，以上述建立

3、的蒲公英狀多方向壓電振動能量采集結(jié)構(gòu)發(fā)電性能的理論模型為基礎(chǔ)，對典型橋梁振動頻率下的蒲公英狀能量采集結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計。為驗證上述蒲公英狀多方向壓電振動能量采集結(jié)構(gòu)理論分析的可靠性，采用ANSYS軟件仿真分析了蒲公英狀能量采集結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)情況。最后，對典型橋梁振動激勵下蒲公英狀能量采集結(jié)構(gòu)的輸出功率進行了試驗研究，以進一步驗證前述理論分析及有限元仿真的結(jié)果。該部分研究、分析為從結(jié)構(gòu)設(shè)計上評估蒲公英狀能量采集結(jié)構(gòu)發(fā)電性能的多方

4、向性提供了重要參考。
　　考慮到蒲公英狀能量采集結(jié)構(gòu)多方向、寬頻帶的設(shè)計思路，本文又從結(jié)構(gòu)設(shè)計方面重點研究其能量收集的頻帶的拓寬。首先，分析了幾種典型振動環(huán)境的頻譜特性，并以此為基礎(chǔ)提出了典型環(huán)境振動對能量采集結(jié)構(gòu)的要求。接著，以上述典型振動環(huán)境的頻譜特性為基礎(chǔ)，對給定帶寬下蒲公英狀能量采集結(jié)構(gòu)的參數(shù)進行了確定。最后，為了實際測試和評估蒲公英狀能量采集結(jié)構(gòu)的頻帶拓寬能力，制作了試驗樣機并搭建了相應(yīng)的試驗測試系統(tǒng)，試驗結(jié)果表明，通過

5、對蒲公英狀能量采集結(jié)構(gòu)的寬頻帶設(shè)計，可以有效的提高其能量采集能力。該部分研究、分析對從結(jié)構(gòu)設(shè)計方面評估蒲公英狀能量采集結(jié)構(gòu)發(fā)電性能的寬頻帶性提供了指導(dǎo)。
　　此外，作為振動能量采集的重要組成部分，論文對充電控制電路和自適應(yīng)調(diào)諧控制方法等進行了研究。在已有的單路充電控制電路的研究基礎(chǔ)上，對SECE（SECE，Synchronous Electric Charge Extraction）電路和SSHI（SSHI，Synchronize

6、dSwitchHarvesting onInductor）電路的開關(guān)切換時間進行了理論建模與分析；針對多方向能量收集結(jié)構(gòu)多源異相的輸出特點，研究了多源SECE并聯(lián)、多源Series-SSHI并聯(lián)收集電路；在此基礎(chǔ)上，提出了一種適用于多方向振動能量收集結(jié)構(gòu)的自動切換充電控制方案，它通過自動檢測環(huán)境振動方向并將充電控制電路切換到該方向上的壓電換能元件輸出端以獲得最大輸出功率，從而減少了接口電路元器件的使用數(shù)量與電路損耗。
　　針對單壓

7、電懸臂梁結(jié)構(gòu)在共振頻率下輸出功率最大的特點，提出了一種基于壓電自感知驅(qū)動技術(shù)的SSSC（SSSC，synchronized switchstiffness control）自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制策略。它通過對壓電元件進行分時復(fù)用，實現(xiàn)傳感信號與驅(qū)動信號的解耦分離，獲得結(jié)構(gòu)實時工作狀態(tài)，利用SSSC自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制策略，對壓電懸臂梁進行剛度調(diào)節(jié)，從而初步實現(xiàn)了在一定頻帶內(nèi)的頻率自適應(yīng)調(diào)節(jié)。
　　論文最后進行了蒲公英狀振動能量采集結(jié)構(gòu)的各項驗證