摘 要

近些年来，随着科学技术的快速发展，传感器和无线传感网络大面积运用，如何为传感器等电子设备长时间稳定连续的提供电能已经成为如今研究的重点难点。 目前，这些电子元器件器件和传感器系统采用的是普通电池供电的方式。 然而电池在这个领域的运用中最大的瓶颈就是其能质比低，寿命短，更换成本高，传统的供电方式难以满足当前微机电系统发展的需要。为解决此问题，近年来开发了很多种能量收集方法，通过开发智能高效的结构以实现器件的自主供电，在不同的环境条件下，利用环境中的可用能源产生电能。压电式俘能器能够将环境中以振动等形式存在的机械能转换为电能，并通过能量收集电路进行采集为其它电子设备供电，它具有便捷、节省能源、能量管理方便等优势，因此具有良好的经济性、环保性以及十分广阔的应用前景。目前对压电俘能器的研究主要分为两大部分，一是优化俘能器结构使得能量的收集效率提高，二是开发储能电路减小在能量收集过程中电路造成的能量损耗。本文以两端固定柔性压电俘能器为研究基础，将单个压电俘能器阵列化布置，将其机械结构与能量收集电能耦合起来分析。首先借助ANSYS对柔性压电俘能器进行压电耦合分析，然后将压电俘能器等效为质量-弹簧-阻尼系统，同时采用标准AC-DC 全桥式整流电路，建立了系统的集总元件模型，并在 Multisim 中对其进行了电路仿真。根据结果确定实验台的搭建方案、完成夹具设计制造最后分别进行单个压电能量收集模块与阵列式布置的压电震动能量收集实验，得出了在一定负载情况下，负载电压、负载功率随震动的频率、幅度变化关系。

关键词：压电俘能器；阵列式布置；ac-dc；震动能量收集；柔性; 翘曲

Abstract

In recent years, with the rapid development of science and technology, sensors and wireless sensor networks are widely used. How to provide long-term, stable and continuous power for electronic devices such as sensors has become the focus and difficulty of current research. At present, these electronic components and sensor systems are powered by ordinary batteries. However, the biggest bottleneck in the application of batteries in this field is their low energy-mass ratio, short life and high replacement cost. The traditional power supply mode is difficult to meet the needs of the current development of micro-electro-mechanical systems. In order to solve this problem, many energy collection methods have been developed in recent years. By developing intelligent and efficient structures, the device can be powered independently. Under different environmental conditions, the energy available in the environment can be used to generate electricity. Piezoelectric traps can convert mechanical energy in the form of vibration into electric energy, and collect energy to supply power for other electronic devices through energy collection circuit. It has the advantages of convenience, energy saving and energy management convenience, so it has good economy, environmental protection and very broad application prospects. At present, the research on piezoelectric energy trap is mainly divided into two parts: one is to optimize the structure of the energy trap to improve the efficiency of energy collection; the other is to develop energy storage circuit to reduce the energy loss caused by the circuit in the process of energy collection. In this thesis, a flexible piezoelectric trap with fixed ends is taken as the research foundation. The single piezoelectric trap is arranged in an array, and its mechanical structure is coupled with the energy collection energy. Firstly, the piezoelectric coupling of the flexible piezoelectric trap is analyzed by ANSYS, and then the piezoelectric trap is equivalent to a mass-spring-damper system. At the same time, the lumped element model of the system is established by using standard AC-DC full bridge rectifier circuit, and the circuit simulation is carried out in Multisim. According to the results, the construction scheme of the test-bed was determined, and the fixture was designed and manufactured. At last, the piezoelectric vibration energy collection experiments with single piezoelectric energy collection module and array arrangement were carried out respectively, and the relationship between load voltage and load power with the frequency and amplitude of vibration was obtained under certain load conditions.

Key words: energy harvester; array arrangement; ac-dc; vibration energy collection; flexibility; buckling

目录

第一章 绪论 6

1.1课题研究背景和意义 6

1.2国内外研究现状 6

1.2.1振动能的能量采集方式 9

第二章 压电俘能器的工作原理 12

2.1典型压电俘能器的工作原理 12

2.1.1俘能器典型结构形式 12

2.1.2压电材料 14

2.1.3能量回收电路 15

2.2压电基础理论 18

2.3压电方程 20

2.4本章小结 22

第三章压电俘能器压电耦合仿真分析 23

3.1压电俘能器结构设计 23

3.2 参数设定 25

3.2 ANSYS建模 25

第四章 能量收集研究与电路模拟仿真 30

4.1普通桥式整流电路整流原理 30

4.2 单个整流桥MULTISIM电路仿真 32

4.3多整流桥的MULITISM仿真 36

4.3.1并联连接的多整流桥能量收集电路 36

4.3.2串联连接的多整流桥能量收集电路 38

4.4本章小结 40

第五章阵列式柔性压电俘能器输出性能实验 41

5.1阵列式柔性压电俘能器实验器材制备 41

5.1.1夹具的设计与制作 41

5.1.2整流电路制备 42

5.1.3压电梁制备 44

5.3实验结果 45

第六章 经济性与环保性分析 47

6.1 经济性分析 47

6.2 环保性分析 47

6.3 本章小结 47

第七章总结展望 49

7.1 全文总结 49

7.2 创新点 49

7.3 研究展望 50

第一章 绪论

1.1课题研究背景和意义

近些年来，随着科学技术的高速发展，传感器和无线传感网络大面积运用，如何为传感器等电子设备长时间稳定连续的提供电能已经成为如今研究的重点难点^[1]。 目前，这些电子元器件器件和传感器系统采用的是普通电池供电的方式。 然而电池在这个领域的运用中最大的瓶颈就是其能质比低，寿命短，更换成本高，传统的供电方式难以满足当前微机电系统发展的需要^[2]。目前微电子与微机电技术发展迅速，传感器以及其相关集成电路的能量消耗逐渐变低，常见无线传感器工作所需功率范围在10-1000mv之间；同时从周围环境中采集到的能量采集源的能量密度较高，这使得利用能量采集技术从周围环境中俘能并为微机电系统供能成为可能^[10]。

将机械能转换为电能进行应用是常见得形式之一，其主要形式以压电式、磁电式和静电式这三种转换方式为主，其中压电转换方式的能量转换效率高，抗干扰能力强，易于小型化，具有广阔的研究前景与应用前景。

能量采集器在不需要持续供能设备上的应用领域，具有以下特点：

（1）便捷，通过能量采集的能源，理论上供给寿命无限，避免了类似于传统电池需频繁充电或进行更换的情况，使嵌入式系统和无线网络、微系统器件等寻找理想化的能源成为可能。

（2）节省能源。理论上环境中的光能、热能、运动能取之不尽，可以通过能量采集提高自然界中的能源利用效率。

（3）能量管理方便。使用能源采集技术，可以将采集的能量及时提供给电子器件作为运行动力，其能量密度无需过高，并且能够合理释放能量。

1.2国内外研究现状

目前传统的电池供电技术在微机电传感器领域的运用中有很大的问题，比如在海洋等水下环境中的传感器材，在偏远地区的环境监测器材，桥梁等建筑的监测传感器，野生动物定位GPS系统，植入式的电子医疗设备如心脏起搏器等，如果采用传统电池进行供能，一旦电池能量完全耗尽，如果选择取回传感器更换电池成本会十分高昂，或者在其中一些运用中传感器和电池根本无法取出，还有在医疗用植入电子领域与环境监测领域中电池的化学物质泄露问题也是一大问题^[3]，为了克服电池在微机电领域中供能的技术缺点，近些年来开发了各种能量收集方法，其主要目标是通过开发智能结构以实现器件的自供电，在任何给定地点利用环境中的可用能源产生电能。在过去的十几年中，科研人员在能量收集领域已经进行了大量的研究，相关的学术论文和原型产品不断涌现，从基本原理到工业应用，各方各面均有所涵盖。与此同时，能量收集器的应用已经十分广泛，主要分为两个方面：一方面是传感器节点，如分布式传感器节点 可以用于桥梁、建筑等结构的健康监测，嵌入式或植入式传感器节点可以用于电子医疗器件；另一方面是为系统供电，如为提高无人机的续航能力而供电、为车辆的轮胎压力监测系统供电、为家用安全系统供电等^[3]。

环境中可以进行利用的能源是十分丰富的，常见的可利用能源包括震动能量、太阳能、风能、地热能、磁能、潮汐能等，根据不同的能量收集方式可以将其分为六类分别是：光伏式、电磁式、静电式、热电式、压电式、磁致伸缩式，能量收集技术主要层次如图1.1所示。通过能量收集系统将这些环境中以不同形式的能量进行收集后，运用能量存储电路进行收集然后为用电器电池进行充能以提高电池续航能力，或者在进行调整后直接为低功耗电子器件进行供电。

图1.1能量收集技术结构