【摘要】：隨著低功耗器件的普及,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正悄然改變信息獲取和處理的方式,但日趨減小的設(shè)備尺寸與待機時長之間的矛盾更為凸顯,節(jié)點的工作壽命和電源的更換難度都對現(xiàn)有技術(shù)提出巨大挑戰(zhàn)。近年來,能量采集技術(shù)的興起為此提供一種合理可行的解決方案,用于環(huán)境能量采集的裝置具有極高的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。本文對已有的振動能量采集技術(shù)進行整理分析,提出一種新型壓電-電磁復合能量采集裝置用于收集流致振動產(chǎn)生的機械能。具體工作如下:(1)分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢與缺陷,梳理能量采集技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,概述能量采集技術(shù)原理和流致振動理論,并對相關(guān)的數(shù)學模型和現(xiàn)有的能量采集裝置進行介紹。(2)設(shè)計并制作了一種壓電-電磁復合能量采集裝置,用于采集流致振動產(chǎn)生的機械能,能量密度為98.88μW/cm~3,裝置包括支撐結(jié)構(gòu)、流固耦合結(jié)構(gòu)、壓電雙晶片、線圈、磁鐵和管理電路。支撐結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)部分,為其他部件提供固定點;壓電片自由端與耦合結(jié)構(gòu)相連,磁鐵安裝在耦合結(jié)構(gòu)上。耦合結(jié)構(gòu)在流場中發(fā)生流致振動,將流體動能轉(zhuǎn)換成電能,通過管理電路把俘獲的能量存儲在電容中。(3)使用COMSOL Multiphysics軟件對能量采集裝置工作中的物理過程進行仿真分析,包括三項內(nèi)容:流固耦合仿真、壓電振動仿真和電磁振動仿真,所得結(jié)論用于指導實物設(shè)計。(4)使用多種重量的質(zhì)量塊對PZT壓電懸臂梁進行頻率響應(yīng)測試,研究合理的質(zhì)量塊范圍;使用Altium Designer軟件設(shè)計了一種可根據(jù)系統(tǒng)需求疊加片數(shù)的圓形平面線圈,有效增加電磁單元的采集效率;設(shè)計制作了一種磁極互斥裝置并測試輸出特性,驗證其收集低頻振動能的可行性,并提出其與壓電懸臂梁復合進行能量采集的設(shè)計思路。(5)使用SolidWorks軟件設(shè)計耦合結(jié)構(gòu)并通過3D打印制作實物,包括圓形、多邊形、翼形等多種截面形狀的柱體,在風洞中對所設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行性能測試,分析不同耦合結(jié)構(gòu)在流場中產(chǎn)生的振動響應(yīng)。(6)為實現(xiàn)對俘獲能量的存儲與利用,針對壓電單元的高壓高阻特性和電磁單元的低壓高電流特性,采用基于LTC3588-1和LTC3108-1芯片的能量管理電路,實現(xiàn)對儲能元件的充放電,并通過風洞對其實際工作情況進行測試。
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM619;TP212.9;TN929.5
【圖文】：

但基于現(xiàn)有技術(shù)仍無法充分發(fā)揮這些特性，主要障礙在于傳統(tǒng)電池的有限容量和極短壽命（如圖1.1 和表 1.1 所示）[4]。傳感器節(jié)點運行需要穩(wěn)定的功率源，目前多由化學電池提供，有限的能量密度使電池占據(jù)節(jié)點的大部分體積的同時又無法長期穩(wěn)定工作。此外網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)目眾多，位置分散，所處環(huán)境復雜，更換維護成本昂貴，使節(jié)點的微型化和待機時長的矛盾更為凸顯。為解決該問題，近年來人們將目光轉(zhuǎn)向能量采集技術(shù)（Energy Harvesting Technology, EH），通過設(shè)計合理的能量采集裝置，將環(huán)境中的能量轉(zhuǎn)換為可用電能，為電子設(shè)備供能[4-7]。圖 1. 1 電池容量與電池壽命及工作占空比之間的關(guān)系環(huán)境中存在多種可回收能源，風能是目前最具商業(yè)化前景的可再生清潔能源，大型風力發(fā)電機（Wind Power Generation, WPG）已在大功率發(fā)電領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，全球年裝機數(shù)量穩(wěn)步提升，

但如果長時間處于抖振狀態(tài)，會導致結(jié)構(gòu)疲勞，減短結(jié)構(gòu)壽命。在實際情況下，流體中的結(jié)構(gòu)發(fā)生振動時通常是幾類振動方式共存，并相互影響。當前流致振動的研究中，對渦激振動和顫振的研究最為深入，其應(yīng)用也最廣泛。2.2 渦激振動2.2.1 渦激振動現(xiàn)象15 世紀，達芬奇在處于流體中的鈍體后畫了一連串漩渦；1878 年，Strouhal 從琴弦振動現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)風鳴音調(diào)與風速和弦線粗細之商成正比；1879 年，Rayleigh 發(fā)現(xiàn)當小提琴的琴弦與風向正交時，就會發(fā)出樂音；1908 年，Bénard 將圓柱體后尾流與周期性聯(lián)系起來；直到 1912 年，Von Karman 對理想化的渦街做了一系列理論研究和實驗工作，提出“卡門渦街”（Karman VortexStreet），是渦激振動現(xiàn)象理論研究的一個里程碑[38]。在足夠高的流速下作用下，鈍體的尾流形成交錯排列的渦流，這些渦流周期性地從鈍體的頂部和底部交替脫落，這種現(xiàn)象稱為卡門渦街，如圖 2.1 所示[39,40]。這些交替脫落的漩渦導致鈍體兩側(cè)產(chǎn)生于來流垂直方向上周期變化的流體作用力，如果鈍體非完全剛性或處于彈性支撐，鈍體就會產(chǎn)生振動，該現(xiàn)象稱為渦激振動[33,41]。

南京航空航天大學碩士學位論文柱體為例，特征長度 Dc等于圓直徑，其漩渦形成及泄放形式隨 Re 值的變化如圖 2.2 所示。圖可見，當 Re 小于 5 時，流場中不會發(fā)生分離現(xiàn)象；當 Re 超過 40 時開始出現(xiàn)周期性交替放的層流漩渦；當 Re 超過 300 時流場中出現(xiàn)周期性的紊流漩渦；當 Re 超過 3×105時，漩渦放不具備周期性；當 Re 超過 3×106時，為超臨界階段，流場又恢復周期性紊流[33]。(a)Re<5 (b)(5-15)≤Re<40(c) 40≤Re<150 (d) 300≤Re<3×105

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