基于cymbal换能器能量采集系统的研究

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1、国内图书分类号：TN712+.5国际图书分类号：621工学硕士学位论文基于cymbal换能器能量采集系统的研究硕士研究生：贾广生导师：谢涛教授申请学位级别：工学硕士学科、专业：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2008年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex：TN712+.5U.D.C.:621ADissertationfortheDegreeofM.Eng.STUDYOFENERGYHARVESTINGSYSTEMBASEDONCYMBALTRANSDUCERCandidate：JiaGuangshengSupervisor：Prof

2、.XieTaoAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：MechatronicsEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2008Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要随着无线传感器和便携式电子设备的应用日益广泛，以化学电池为其主要供能方式存在诸多弊端，如体积大、质量大、供能寿命有限，需要定期更

3、换，以及由此所带来的材料浪费，环境污染等问题不容忽视，尤其对于目前发展迅速的无线网络和嵌入式系统来说，电池供电的这种缺陷更明显。为了解决这一技术难题，基于压电理论的俘能技术可将环境中的振动能转换为电能，从而为上述电子产品实现供能。同时压电俘能器具有结构简单、不发热、无电磁干扰、无污染和易于实现机构的微小化、集成化等诸多优点，且能满足此类低耗能产品的供能需求而成为目前的研究热点之一。本文针对cymbal俘能器开展对压电俘能技术进行研究。首先通过有限元仿真，对单层压电晶体结构的cymbal换能器进行研究，得出其结构参数对cymbal换能器输出电压和谐振频率的影响规律。在此基

4、础上，对具有多层压电晶体结构的cymbal换能器进行仿真和对比分析，获得了其电学连接方式对其输出电压的影响规律。最后，对cymbal换能器金属帽的径向开槽、边缘处径向开槽及环形槽3种状况进行仿真，获得了槽深、槽宽及槽数对换能器输出电压和机械结构稳定性的影响规律，为下一步的俘能器设计奠定了理论基础。另外，本文设计了buck型DC-DC能量转换电路。基于压电发电装置的等效机电模型，对能量存储电路进行了时序分析。以功率最大化为目标，理论推导了能量存储电路的占空比模型，得到了电路的最佳占空比等电学参数；同时用单片机对转换开关的占空比进行控制，从而实现了能量存储电路硬件设计。在上

5、述理论和电路设计的基础上，进行了cymbal换能器的俘能实验。考察了压电晶体厚度对俘能性能的影响；考察了径向和环向开槽2种开槽形式对换能器俘能性能的影响，并将结果与传统的俘能器实验结果进行了对比，结果表明开槽的俘能器的最大输出功率约是传统俘能器的2倍；考察了激振频率对俘能性能的影响，发现在低频状态下，输出功率随着激振频率增大而增大；最后考察了电路参数变化对换能器的俘能性能影响，并与基本的能量采集电路进行了实验对比，结果表明本文的能量存储电路性能优越。关键词cymbal换能器；能量采集；俘能实验-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractWiththedevelo

6、pmentofwirelesssensorandtheportableelectronicequipment,manydrawbacksofthechemicalbatterywhichcannotbeignoredoccur,suchasbigsize,largequality,limitedlifespan,periodicreplacement,theresultingwaste,environmentalpollution,etc.Atpresent,thedisadvantageofthechemicalbatteryismoreobviousforthequ

7、icklydevelopedwirelessnetworkandembeddedsystem.Inordertosolvethistechnicalproblem,thetechniqueofenergyharvestingbasedonthetheoryofpiezoelectriccanconvertthevibrationenergytoelectricity,andservicefortheaboveelectronicproducts.Atthesametime,thepiezoelectrictransducerhaveman