目前低功耗電子器件大多數(shù)采用傳統(tǒng)的化學(xué)電池供電,但頻繁的更換電池會增加額外的維護成本甚至在某些特定環(huán)境下不易實施。在這種情況下,研制可為微型化低功耗設(shè)備持續(xù)供能的系統(tǒng)就變得尤為重要。壓電式振動能量采集器因其易于集成、能量密度高等諸多優(yōu)點,已成為國際上微能源研究追捧的對象。本文通過對懸臂梁式壓電振動能量采集技術(shù)的研究,設(shè)計了能在低頻、寬頻帶條件下高效收集振動能量的六階折疊懸臂梁壓電振動能量收集器和帶彈性支撐的壓電振動能量收集器。六階折疊懸臂梁壓電振動能量收集器由折疊的六階梯形懸臂梁、質(zhì)量塊和壓電片組成。此設(shè)計為收集器提供了更低的固有諧振頻率和更緊湊的諧振峰值,這使得收集器具有更多的可用諧振模態(tài),能夠在日常振動環(huán)境中高效收集振動能量。與此同時,折疊的懸臂梁延伸了整個梁的等效長度,使結(jié)構(gòu)在固定端產(chǎn)生更大的應(yīng)變,促進了粘貼在固定端附近的壓電片產(chǎn)生更高的輸出電壓。帶彈性支撐的壓電振動能量收集器由兩個彈性支撐、一個U型支架和一片壓電片構(gòu)成,彈性支撐又由普通辦公室用皮筋和質(zhì)量塊構(gòu)成。通過調(diào)整彈性支撐可以減小整個結(jié)構(gòu)的等效勁度系數(shù),最終在較低頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生一個新的諧振峰值并且明顯降低懸臂梁的諧振頻率。... 

【文章來源】：西安電子科技大學(xué)陜西省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：75 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

Joseph設(shè)計的“跳蚤節(jié)點”

（a） 商用擠壓式發(fā)電機 （b）無飛輪鞋發(fā)電機圖1.2 Paradiso 等設(shè)計的兩種鞋發(fā)電機2003 年 Elvin 等人研究了單個壓電元件作為傳感器和電源的能力。由于壓電陶瓷材料產(chǎn)生的電壓與施加到材料上的應(yīng)變成比例，因此該裝置可用作應(yīng)變傳感器。他們制作了 PVDF 傳感器和能量收集機并將其安裝到要監(jiān)控的梁上。傳感器能夠測量梁中的應(yīng)變，然后可以用來識別裂縫形式的梁損傷，根據(jù)傳感器報告的應(yīng)變值，確定裂縫深度。無線傳輸功能被整合到系統(tǒng)中以用于通信目的。另外，被傳輸?shù)膫鞲衅鲾?shù)據(jù)顯示出準(zhǔn)確預(yù)測裂縫深度的能力。該研究成功地證明了使用單個壓電元件作為傳感器和電源的可能性，并且可用于自供電損傷檢測單元[35]。Roundy 和 Wright 在 2004 年開發(fā)了一種小型壓電懸臂發(fā)電機，用于為定制無線電發(fā)射機供電�？紤]到大多數(shù)無線傳感器節(jié)點的尺寸，發(fā)電機的總體積設(shè)計為 1cm3。無線電發(fā)射器在 1.2 V 時消耗 10 mA 電流，能夠在 10 m 距離內(nèi)傳輸 1.9 GHz 信號。他們的研究表明，對于頻率為 120 Hz 且加速度為 2.5 m/s2的振動激勵，壓電發(fā)電機能夠?qū)⒋鎯﹄娙萜鞒潆姷阶阋允拱l(fā)射器工作的水平[36]。

圖1.3 Paradiso 和 Feldmeier 發(fā)明的自供電 RF 發(fā)射器du Plessis 等人研究了利用壓電懸臂從機械振動中獲取能量以電的可能性。傳感器節(jié)點由六個部件組成，包括處理器，能存儲模塊，功率轉(zhuǎn)換電路和通信模塊。該研究涉及到用來進行泵。油泵的固有頻率為 130Hz，因此將壓電懸臂的諧振頻率也行測試。在 100Hz 下輸入 700με 應(yīng)變的激勵時，懸臂能夠產(chǎn)研究證明了壓電懸臂能夠產(chǎn)生足夠的功率并承受足夠的應(yīng)變以器節(jié)點[38]。開發(fā)了一種用于自供電全膝關(guān)節(jié)置換裝置的體內(nèi)壓電能量收集膝蓋中的異�，F(xiàn)象，例如施加在關(guān)節(jié)上的異常高的壓力，骨機供監(jiān)測電路運行所需的電力。他們制作了一個實驗?zāi)Ｐ�，將監(jiān)個全膝關(guān)節(jié)置換單元中。使用 600N 的激勵對制作的裝置進行mW 的瞬態(tài)輸出功率和 0.85mW 的穩(wěn)定輸出功率。結(jié)果表明，滿足其功率需求[39]。


本文編號：3416792