振動(dòng)能量采收系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、無線網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)已經(jīng)成為全球未來十大技術(shù)之一,無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的能量供應(yīng)是該項(xiàng)技術(shù)研究的核心問題之一。但是由于無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的體積非常小,而且傳統(tǒng)供能方式存在無法長(zhǎng)期有效供能等諸多不足,影響到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用。因此如何為無線網(wǎng)絡(luò)傳感器長(zhǎng)期有效方便的提供能量就變得十分重要。
　　本文采用“能量采集”的方法,用理論研究與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式展開研究。以壓電材料作為能量轉(zhuǎn)換元件,設(shè)計(jì)了一種振動(dòng)能量采收系統(tǒng),將環(huán)境中的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電

2、能,為無線網(wǎng)絡(luò)傳感器提供能源。
　　1.研究了壓電振子的壓電發(fā)電機(jī)理與振動(dòng)發(fā)電理論,分析了壓電材料的性能參數(shù),選用壓電材料PZT作為采收振動(dòng)能的功能元件,依據(jù)環(huán)境中振動(dòng)源頻率較低、加速度形式存在的特性,研究采用慣性自由振動(dòng)式懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電振子,利用其d31壓電發(fā)電模式,在外界激勵(lì)下做上下彎曲振動(dòng),來采收振動(dòng)能量。
　　2.對(duì)壓電振子發(fā)電時(shí)的振動(dòng)特性與發(fā)電輸出特性進(jìn)行了理論分析,研究了壓電振子的振動(dòng)與頻率特性、電壓輸出與輸出

3、功率特性等,為振動(dòng)發(fā)電模型的建立提供了理論基礎(chǔ)。
　　3.對(duì)壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)的特性進(jìn)行仿真試驗(yàn)研究。建立了壓電振子的機(jī)電耦合模型,利用有限元分析方法,采用ANSYS有限元分析軟件,通過靜態(tài)、模態(tài)、諧響應(yīng)與壓電耦合電路仿真分析,得到了結(jié)構(gòu)參數(shù)與質(zhì)量塊對(duì)其固有頻率、電壓與功率輸出的影響關(guān)系,最高轉(zhuǎn)換效率與最強(qiáng)發(fā)電能力時(shí)的最大輸出電壓與功率,以及串聯(lián)雙晶片壓電振子相比單晶片的輸出特性。為建立最佳的機(jī)電耦合模型提供了依據(jù),并得到了適合采收環(huán)

4、境低頻振動(dòng)能的壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)。
　　4.設(shè)計(jì)了采收環(huán)境頻率在64Hz左右的振動(dòng)能的壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)尺寸,在2m/s2加速度的激勵(lì)下,輸出功率最大可達(dá)到86微瓦,并可輸出5V的電壓。該結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的電能能夠滿足網(wǎng)絡(luò)傳感器供能的需要。并設(shè)計(jì)了兩種能量存儲(chǔ)電路:電容儲(chǔ)能電路和充電電池儲(chǔ)能電路,對(duì)電能進(jìn)行儲(chǔ)存并為無線網(wǎng)絡(luò)傳感器供能。
　　基于以上研究,該振動(dòng)能量采收系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的供能,具有長(zhǎng)期有效、連續(xù)供能、節(jié)能環(huán)保等許多優(yōu)