蒲公英状多方向宽频带压电振动能量采集研究

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1、NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAerospaceEngineeringResearchondandelion-typeMulti-directionBroadbandPiezoelectricVibrationEnergyHarvestingAThesisinTestMeasurementTechnologyandInstrumentEngineeringbyHouZhiweiAdvisedbyProf.WangXinweiProf.ChenRenwe

2、nSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyOctober,2013万方数据万方数据承诺书本人声明所呈交的博士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

3、（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：万方数据南京航空航天大学博士学位论文摘要振动能在自然界广泛存在，通过采集振动能给无线传感器节点或自治型电子设备供电可大大减少干电池的使用，是节能环保的绿色能源技术，因而具有重要的研究价值。近年来振动能量采集器获得长足的发展。但是，目前所研究的振动能量采集器在对外界环境振动激励的频率变化和方向变化的适应性方面还刚刚起步，有待深入研究。本论文提出一种具有多方向和宽频带振动能量采集功能的蒲公英状振动能量采集器。为从整体上研究蒲公英状多方向压电振动能量采集结构的发电性能，先从结构设计方面重点研究其能量收集的多方向性。

4、首先，根据振动的合成与分解原理建立了单悬臂梁发电性能的理论模型，并数值模拟分析了单悬臂梁主要结构参数和外界激励方向对其发电性能的影响关系。在上述研究基础上，为研究不同外界激励方向下，蒲公英状多方向压电振动能量采集结构的发电性能，建立了不同方向下蒲公英状多方向压电振动能量采集结构发电性能的理论模型，并数值模拟了外界激励方向对蒲公英状多方向压电振动能量采集结构发电性能的影响关系。接着，以上述建立的蒲公英状多方向压电振动能量采集结构发电性能的理论模型为基础，对典型桥梁振动频率下的蒲公英状能量采集结构的结构参数进行了优化设计。为验证上述蒲公英状多方向压电振动能量采集结构

5、理论分析的可靠性，采用ANSYS软件仿真分析了蒲公英状能量采集结构的振动响应情况。最后，对典型桥梁振动激励下蒲公英状能量采集结构的输出功率进行了试验研究，以进一步验证前述理论分析及有限元仿真的结果。该部分研究、分析为从结构设计上评估蒲公英状能量采集结构发电性能的多方向性提供了重要参考。考虑到蒲公英状能量采集结构多方向、宽频带的设计思路，本文又从结构设计方面重点研究其能量收集的频带的拓宽。首先，分析了几种典型振动环境的频谱特性，并以此为基础提出了典型环境振动对能量采集结构的要求。接着，以上述典型振动环境的频谱特性为基础，对给定带宽下蒲公英状能量采集结构的参数进行了

6、确定。最后，为了实际测试和评估蒲公英状能量采集结构的频带拓宽能力，制作了试验样机并搭建了相应的试验测试系统，试验结果表明，通过对蒲公英状能量采集结构的宽频带设计，可以有效的提高其能量采集能力。该部分研究、分析对从结构设计方面评估蒲公英状能量采集结构发电性能的宽频带性提供了指导。此外，作为振动能量采集的重要组成部分，论文对充电控制电路和自适应调谐控制方法等进行了研究。在已有的单路充电控制电路的研究基础上，对SECE（SECE，SynchronousElectricChargeExtraction）电路和SSHI（SSHI，SynchronizedSwitchHar

7、vestingonInductor）电路的开关切换时间进行了理论建模与分析；针对多方向能量收集结构多源异相的输出特点，研究了多源SECE并联、多源Series-SSHI并联收集电路；在此基础上，提出了一种适用于多方向振动能I万方数据蒲公英状多方向宽频带压电振动能量采集研究量收集结构的自动切换充电控制方案，它通过自动检测环境振动方向并将充电控制电路切换到该方向上的压电换能元件输出端以获得最大输出功率，从而减少了接口电路元器件的使用数量与电路损耗。针对单压电悬臂梁结构在共振频率下输出功率最大的特点，提出了一种基于压电自感知驱动技术的SSSC（SSSC，synchro

8、nizedswitchs