壓電振動(dòng)能量采集器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析.pdf

1、隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，微電子設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用到生活各個(gè)領(lǐng)域，例如智慧城市、資源監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、醫(yī)療護(hù)理以及家庭自動(dòng)化和樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域。據(jù)相關(guān)調(diào)查報(bào)告顯示，到2020年，全球預(yù)計(jì)擁有500億到3000億臺(tái)小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。如果采用傳統(tǒng)的電池供電方式，則需要每隔一段時(shí)間更換電池，這要耗費(fèi)龐大的人力和財(cái)力進(jìn)行維護(hù)，因此電池供能方式嚴(yán)重影響著微電子設(shè)備使用。直接從環(huán)境中獲得能量，即能量采集技術(shù)，可以讓這些設(shè)備數(shù)年期間內(nèi)完全

2、免維護(hù)，目前該技術(shù)正獲得高度關(guān)注。
　　本文基于壓電振動(dòng)式能量采集技術(shù)，研究了壓電能量采集器的機(jī)電模型、AC-DC轉(zhuǎn)換電路在結(jié)構(gòu)中的影響、振動(dòng)源強(qiáng)度不穩(wěn)定時(shí)Cuk型DC-DC轉(zhuǎn)換電路的應(yīng)用、以及能量自給開(kāi)關(guān)技術(shù)在SSHI技術(shù)中的應(yīng)用。具體工作如下:
　　(1)建立了壓電振動(dòng)能量采集系統(tǒng)的等效模型，在其輸出端接入AC-DC整流器，跨越結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電路理論，推導(dǎo)了能量采集器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的輸出解析表達(dá)式，以輸出功率最大為優(yōu)化目標(biāo)，以歸

3、一化平均功率表達(dá)式為優(yōu)化函數(shù)，分別得到了系統(tǒng)開(kāi)路諧振和短路諧振狀態(tài)下優(yōu)化的負(fù)載電阻、振動(dòng)位移、輸出電壓和輸出功率。仿真分析了優(yōu)化后壓電振動(dòng)能量采集器的輸出性能，對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證了本文優(yōu)化方法的可行性。
　　(2)為了保證能量采集器在振動(dòng)源強(qiáng)度不穩(wěn)定時(shí)依然正常工作，研究了帶有Cuk型DC—DC轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的并聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感技術(shù)。通過(guò)調(diào)節(jié)DC—DC轉(zhuǎn)換器的占空比，可以有效地針對(duì)不同強(qiáng)度的振動(dòng)源將提取的能量提供給負(fù)載。并且在OrCA

4、D Capture軟件中搭建電路，進(jìn)行仿真，研究了相關(guān)參數(shù)對(duì)最大采集功率的影響。其次針對(duì)在同步開(kāi)關(guān)電感技術(shù)中，開(kāi)關(guān)切換需要依靠額外電源，研究了能量自給同步開(kāi)關(guān)電感回收技術(shù)，對(duì)其工作原理和過(guò)程進(jìn)行了定量分析。同樣也在OrCAD Capture軟件中搭建電路，通過(guò)PSpice進(jìn)行模擬仿真，分析了電路中相關(guān)的電容值、電阻值以及激勵(lì)水平對(duì)能量采集功率的影響。
　　(3)基于INV—1601B型振動(dòng)教學(xué)儀器，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上搭建電路，測(cè)量了開(kāi)路