【摘要】：磁控形狀記憶合金(Magnetically controlled Shape Memory Alloy,MSMA)是近年來(lái)新興的一種可應(yīng)用于能量采集領(lǐng)域的Ni-Mn-Ga合金智能材料,性能優(yōu)越,可以通過(guò)一定的采集裝置將環(huán)境中的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能,進(jìn)而通過(guò)電源管理電路實(shí)現(xiàn)為超低功耗負(fù)載供電。本文主要利用MSMA的優(yōu)良特性進(jìn)行振動(dòng)能量采集和存儲(chǔ)技術(shù)的探索性研究,首先建立和仿真驗(yàn)證了MSMA振動(dòng)換能系統(tǒng)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,在此基礎(chǔ)上改良并測(cè)試了一款新型MSMA振動(dòng)能量采集器。然后針對(duì)采集器的輸出特性,設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證了三種不同的微電能采集和存儲(chǔ)電路方案。最后搭建系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)對(duì)最終方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。本文前三章主要在分析MSMA材料逆特性的基礎(chǔ)上,建立并用MATLAB軟件仿真驗(yàn)證了MSMA振動(dòng)能量采集系統(tǒng)輸出感應(yīng)電壓的優(yōu)化模型,完成了采集器的優(yōu)化、仿真和性能測(cè)試。然后在第四章中研究了微電能采集和存儲(chǔ)的基礎(chǔ)電路,用Multisim軟件對(duì)所研究的一系列整流、升壓等基礎(chǔ)電路進(jìn)行仿真,并對(duì)仿真得到的曲線進(jìn)行對(duì)比分析,總結(jié)了微電能采集和存儲(chǔ)電路的難點(diǎn)和研究重點(diǎn)。第五章開(kāi)始進(jìn)行芯片方案設(shè)計(jì),首先設(shè)計(jì)并仿真驗(yàn)證了基于LTC3526和MAX1811的有源采集與存儲(chǔ)管理電路,可以實(shí)現(xiàn)將采集的振動(dòng)能量?jī)?chǔ)存于鋰電池中且存儲(chǔ)過(guò)程可控。然后設(shè)計(jì)并仿真驗(yàn)證了基于MSMA振動(dòng)能量采集的傳感器節(jié)點(diǎn)有源供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)由采集器輸出和主電池兩個(gè)供電部分組成,實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫切換且優(yōu)先啟動(dòng)環(huán)境振動(dòng)源,可以延長(zhǎng)系統(tǒng)的供電壽命。在第六章中主要設(shè)計(jì)并測(cè)試了基于BQ25504的無(wú)源微電能采集與存儲(chǔ)管理電路和BL系列穩(wěn)壓輸出模塊,可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境振動(dòng)能量的有效輸出,為超低功耗負(fù)載供電。
【學(xué)位授予單位】：沈陽(yáng)航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG139.6;TP333
【圖文】：

圖 1.1 集成低頻電磁式 MEMS 能量采集器有正壓電效應(yīng)，壓電式能量采集方式的原理就是利用其現(xiàn)振動(dòng)能量的轉(zhuǎn)換。在目前的研究文獻(xiàn)中，可以發(fā)現(xiàn)懸量采集方式的熱門(mén)結(jié)構(gòu)。由于壓電式能量采集器設(shè)計(jì)結(jié)深受國(guó)內(nèi)外研究工作者青睞。國(guó)外方面：2009 年，新加等人設(shè)計(jì)并制作了一種單晶片結(jié)構(gòu)的壓電式振動(dòng)能量采物（macro—fiber compo- sites,MFC)，250mm x62mm x

沈陽(yáng)航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文學(xué) Wang Lei 等人通過(guò)非結(jié)晶金屬玻璃[16-20]（Metglas 2605SC）設(shè)計(jì)制作了能量采集器，在頻率為 1100Hz 的振動(dòng)條件下對(duì)該采集器進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果率為 606μW/cm3。如圖 1.2 所示，磁致伸縮式振動(dòng)能量采集器的優(yōu)點(diǎn)[2需外供電源；2.具有高磁極耦合能力；3.輸出功率密度較大；4.不存在去點(diǎn)主要是其結(jié)構(gòu)需要大量的線圈,體積較大難以與 MEMS 集成應(yīng)用。

圖 1.2 磁致伸縮振動(dòng)能量采集器伴隨著振動(dòng)能量采集方式研究范圍的不斷擴(kuò)大，很量采集器。例如：Khaligh A[25]等人在 2008 年設(shè)計(jì)采集器的拓?fù)浣Y(jié)枸（如圖 1.3 所示）。2008 美國(guó)授等人創(chuàng)新性地在磁致伸縮材料的基礎(chǔ)上加入壓D/PZT/Terfenol-D 的三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合振動(dòng)能量采集度為 0.5gn 的激勵(lì)條件下實(shí)現(xiàn)輸出功率超過(guò) 10mW研究前景，但也存在著一些比較明顯的弊端[26-27]，，因此其基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論和技術(shù)方法還需要進(jìn)一步深

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本文編號(hào)：2757083