蒲公英狀多方向?qū)掝l帶壓電振動(dòng)能量采集研究.pdf

1、振動(dòng)能在自然界廣泛存在，通過采集振動(dòng)能給無線傳感器節(jié)點(diǎn)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?jī)r(jià)值。近年來振動(dòng)能量采集器獲得長(zhǎng)足的發(fā)展。但是，目前所研究的振動(dòng)能量采集器在對(duì)外界環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)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(dòng)能量采集功能的蒲公英狀振動(dòng)能量采集器。為從整體上研究蒲公英狀多方向壓電振動(dòng)能量采集結(jié)構(gòu)的發(fā)電性能，

2、先從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面重點(diǎn)研究其能量收集的多方向性。首先，根據(jù)振動(dòng)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(lì)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(lì)方向下，蒲公英狀多方向壓電振動(dòng)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(dòng)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(lì)方向?qū)ζ压疃喾较驂弘娬駝?dòng)能量采集結(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(dòng)能量采集結(jié)構(gòu)發(fā)電性能的理論模型為基礎(chǔ)，對(duì)典型橋梁振動(dòng)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(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。為驗(yàn)證上述蒲公英狀多方向壓電振動(dòng)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(dòng)響應(yīng)情況。最后，對(duì)典型橋梁振動(dòng)激勵(lì)下蒲公英狀能量采集結(jié)構(gòu)的輸出功率進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以進(jìn)一步驗(yàn)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(jì)上評(píng)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(jì)思路，本文又從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面重點(diǎn)研究其能量收集的頻帶的拓寬。首先，分析了幾種典型振動(dòng)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(dòng)對(duì)能量采集結(jié)構(gòu)的要求。接著，以上述典型振動(dòng)環(huán)境的頻譜特性為基礎(chǔ)，對(duì)給定帶寬下蒲公英狀能量采集結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行了確定。最后，為了實(shí)際測(cè)試和評(píng)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(yàn)樣機(jī)并搭建了相應(yīng)的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明，通過

5、對(duì)蒲公英狀能量采集結(jié)構(gòu)的寬頻帶設(shè)計(jì)，可以有效的提高其能量采集能力。該部分研究、分析對(duì)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面評(píng)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(dòng)能量采集的重要組成部分，論文對(duì)充電控制電路和自適應(yīng)調(diào)諧控制方法等進(jìn)行了研究。在已有的單路充電控制電路的研究基礎(chǔ)上，對(duì)SECE（SECE，Synchronous Electric Charge Extraction）電路和SSHI（SSHI，Synchronize

6、dSwitchHarvesting onInductor）電路的開關(guān)切換時(shí)間進(jìn)行了理論建模與分析；針對(duì)多方向能量收集結(jié)構(gòu)多源異相的輸出特點(diǎn)，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(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)的自動(dòng)切換充電控制方案，它通過自動(dòng)檢測(cè)環(huán)境振動(dòng)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(duì)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(diǎn)，提出了一種基于壓電自感知驅(qū)動(dòng)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(duì)壓電元件進(jìn)行分時(shí)復(fù)用，實(shí)現(xiàn)傳感信號(hào)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)的解耦分離，獲得結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，利用SSSC自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制策略，對(duì)壓電懸臂梁進(jìn)行剛度調(diào)節(jié)，從而初步實(shí)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(jìn)行了蒲公英狀振動(dòng)能量采集結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)驗(yàn)證