【摘要】：以可穿戴設(shè)備免維護(hù)自供電為應(yīng)用背景,針對環(huán)境中普遍存在的射頻電磁波能量源和人體振動能量源,研究了穿戴式混合能量收集技術(shù),包括振動能模塊、射頻能模塊、整流模塊、升壓模塊和儲能模塊的分析與設(shè)計。基于穿戴式的特點(diǎn),提出了以柔性壓電材料PVDF為振動能傳感器,同時采用貼片天線作為射頻能量傳感器構(gòu)成兩種能量共同收集的可穿戴式自供電系統(tǒng)。該設(shè)計思想突破了傳統(tǒng)單一能量來源的采集模式,有效增強(qiáng)了能量收集功率,擴(kuò)展了能量收集的適應(yīng)范圍。論文基于壓電理論和麥克斯韋電磁場理論,主要研究兩種能量收集器的結(jié)構(gòu)模型與提升效率的優(yōu)化方法,設(shè)計了多種射頻能量收集天線與壓電結(jié)構(gòu)模型;研究高效率能量轉(zhuǎn)換電路理論與設(shè)計方法,提出了一種低閾值整流電路結(jié)構(gòu),并進(jìn)行設(shè)計與仿真;最后構(gòu)建兩種能量的混合收集系統(tǒng),進(jìn)行了測試與分析。具體設(shè)計與結(jié)論歸納如下:1.設(shè)計了兩種收集振動能量的壓電結(jié)構(gòu)模型,一種是腳踩式結(jié)構(gòu),放置于鞋底。以2Hz模擬人行走狀態(tài)下對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試。當(dāng)空載情況下,該結(jié)構(gòu)輸出電壓為4.13V;電阻大小為600kΩ時,電阻兩端的電壓為2.58V,輸出功率為11.093μW。另一個種為圓柱形結(jié)構(gòu),適用于關(guān)節(jié)彎曲處,以1Hz頻率手指彎曲,測得最大峰峰值輸出電壓為3.52V,當(dāng)電阻大小為600kΩ時,以同樣的頻率彎曲振動,測得該電阻兩端的電壓為1.80V。此時壓電片輸出功率為5.4μW。2.設(shè)計了兩種射頻能量收集天線,一種是矩形內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu),放置于手機(jī)殼內(nèi)或手機(jī)臂包中,仿真獲得最佳諧振頻率點(diǎn)為2.34GHz,實(shí)測為2.36GHz,天線對著空氣測試出環(huán)境中的射頻能為-30.80d Bm,約為0.83μW。當(dāng)內(nèi)嵌在手機(jī)殼內(nèi),則可以檢測到射頻能量為-17.67d Bm,約為17.1μW。另一種為環(huán)形腕帶式結(jié)構(gòu),仿真測得最佳諧振頻率點(diǎn)為2.37GHz,實(shí)測時沒有頻偏。天線對著空氣測試出環(huán)境中的射頻能為-32.82d Bm,約為0.52μW。當(dāng)手機(jī)貼近時,則可以檢測到射頻能量為-18.94d Bm,約為12.76μW。3.設(shè)計了一種低閾值整流電路,包括整流電路設(shè)計、濾波電路、升壓電路設(shè)計。在整流電路的設(shè)計中,根據(jù)環(huán)境能力收集微弱性的特點(diǎn)提出采用低閾值整流電路,該電路最低輸入電壓為200m V,低頻時整流效率為64%,高頻整流效率為46.24%。升壓電路分為兩個部分:一個是環(huán)形振蕩器,一個是電荷泵升壓電路。利用環(huán)形振蕩器提供1k Hz的振蕩頻率,其靜態(tài)電流為2.84n A,消耗功率為452p W。進(jìn)一步設(shè)計升壓電路,由此設(shè)計一種四級兩路電荷泵電路,當(dāng)輸入電壓為200m V時,輸出電壓達(dá)到970m V,儲能電容上的平均功率為1.14μW,紋波范圍為±0.5%。轉(zhuǎn)換率約為10%左右。4.構(gòu)建混合能量收集系統(tǒng),利用HSMS2852制作整流橋,而后添加超級電容器。將圓柱式壓電片與內(nèi)嵌式天線結(jié)構(gòu)相串聯(lián),經(jīng)測試,系統(tǒng)輸出電壓可達(dá)到1.663V,輸出功率最高為2.77m W。將踩踏式壓電與圓環(huán)式天線結(jié)構(gòu)相串聯(lián),經(jīng)測試,該系統(tǒng)輸出電壓可達(dá)1.36V,輸出功率為1.84m W。實(shí)驗驗證,設(shè)計的系統(tǒng)可以滿足低功耗穿戴式設(shè)備的自主供電需求。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TM619

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 潘yN雯;白雪;趙文祥;徐雷鈞;;基于環(huán)境微弱能量收集的低閾值CMOS電路設(shè)計[J];半導(dǎo)體技術(shù);2016年12期

2 陳虹;賈晨;劉鳴;王志華;;植入關(guān)節(jié)內(nèi)壓電陶瓷供能研究[J];壓電與聲光;2008年01期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 崔暖洋;壓電發(fā)電機(jī)與摩擦電發(fā)電機(jī)對環(huán)境中微弱機(jī)械能的收集[D];蘭州大學(xué);2015年

2 唐剛;基于壓電厚膜的MEMS振動能量采集器研究[D];上海交通大學(xué);2013年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 馮桂榮;微波無線能量傳輸系統(tǒng)的研究[D];西安電子科技大學(xué);2014年

，

本文編號：2578137