基于无线传感器网络的压电能量收集技术.pdf

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1、44传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)2014年第33卷第4期基于无线传感器网络的压电能量收集技术张广明，徐飞，董智利(南京工业大学自动化与电气学院。江苏南京210000)摘要：随着物联网的发展，多节点的传感器供电成为关键问题，由于环境中普遍存在低频振动，采用了压电悬臂梁结构，建立压电悬臂梁结构的电学模型，并进行了ANSYS的仿真，仿真得到电压76V，约等于模型的理论值，验证了模型的正确性。进而继续研究了压电悬臂梁几何尺寸对固有频率的影响，振子越—长，质量块越长，频率越低。从而收集低频振动环境中的能量，为传感器供电装置提供了

2、设计的理论依据。关键词：传感器节点；压电悬臂梁；建模；ANSYS；固有频率中图分类号：TP212．9文献标识码：A文章编号：1000-9787(2014)04-0044-04PiezoelectricenergyharvestingtechnologybasedonwirelesssensornetworksZHANGGuang—ming，XUFei，DONGZhi—li(CollegeofAutomationandElectrical，NanjingUniversityofTechnology，Nanjing210000，China)Abstract：Withthedevelo

3、pmentofInternetofthing(IoT)，multi—nodesensorpowersupplyhasbecomeacriticalproblem，sincelowfrequencyvibrationexistsgenerallyinenvironment，usepiezoelectriccantileverbeamstructureandestablishelectricalmodelofpiezoelectriccantileverbeamstructure．ANSYSsimulationiscarriedoutandobtainvoltageof76V，whi

4、chisapproximatelyequaltothetheoreticalvalueofthemodel，whichverifiesthecorrectnessofmode1．Thencontinuetostudytherelationshipbetweeninfluenceofgeometrysizeofpiezoelectriccantileverbeamonnaturalfrequency．Thelongertheoscillatorandmassare，thelowerthefrequencyare．Collectlow一~equeneyvibrationenviron

5、mentenergyfromenvironmentandprovidetheoreticalbasisfordesignofsensorsupplydevice．Keywords：sensornode；piezoelectriccantilever；modeling；ANSYS；naturalfrequency0引言存在的多为低频振动，仅在100Hz左右，因此，降低结构随着物联网的发展，无线传感器节点供电问题变得尤的固有频率、改善压电陶瓷的发电效率变得很有意义。本为突出”J。由于无线传感器节点分布广泛，常常分散在恶文提出了采用压电悬臂梁结构来收集环境中的振动能，用劣的野外环境中，

6、布线或更换电池成本过高，因此，能量收于传感器节点的供能。集技术成为了国内外研究的重点。能量收集技术即吸收环1压电悬臂梁振动发电的理论分析境中所未能利用的能源，将其转换成人们可以使用的电能，1．1压电效应以达到能源回收，如，太阳能、风能、振动能等。其中，振动压电效应是指大部分无对称中心的晶体，在机械应能在生活中非常普遍，将振动能转换为电能的方式一般有力的作用下呈比例地产生电荷或在外电场的作用下呈比例电磁式、压电式和静电式3种。与其他方式相比，压电式能地产生几何变形，反映了晶体的弹性性能与介电性能之间量收集器具有机电转换效率高、输出电压高、体积小、结构的耦合，可分为正压电效应和逆压电

7、效应。压电发电利用简单等优点，获得了广泛的关注。压电能量回收技术将的是压电材料的正压电效应，把环境中振动能转换为可利环境中的振动能转换为可利用的电能，为一些低功耗的电用的电能，从而为无线传感器网络供能。子器件和传感器供电，比如：用于结构健康监测的分布式传1．2压电方程感器节点，为汽车轮胎压力监测系统供电等。压电陶瓷达对压电材料而言，因具有压电耦合的特性，压电方程就到结构的共振频率才具有较高的发电效率，但日常环境里是综合考虑力学和电学的相互作用和相互影响，从而确定收稿日期：2013