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基于弹性放大技术的非线性压电能量采集器研究

【摘要】:集成电路高速发展的今天,微型电子设备成为主流,低功耗设计技术的发展亦使得微型电子设备所消耗的功率日益变少。目前的微型电子设备多使用电池供电,但电池自身存在一些问题,例如使用年限短、更换成本较高、不易于小型化、对环境造成污染等,同时当设备数量众多或设备地处偏远,更换电池或为设备充电便极为不易。因此,用环境俘能代替传统电池为微型电子设备供电成为近年新的研究热门。机械振动能量采集是环境俘能的惯用方法之一,而从人行走跑跳中获取能量是环境俘能中一种较为生活化、较为便捷的取能方式。本文就传统的简支梁结构进行改进,设计出一种适合人体俘能的压电简支梁俘能器。首先,根据压电效应的基本原理,简单介绍压电俘能器的原理,描述压电方程,并就压电简支梁的特性进行着重分析说明,并建立带弹性放大器的压电简支梁结构的振型方程。其次,建立带弹性放大器的压电俘能结构的数学模型,并根据计算的固有频率和结构参数进行Simulink仿真,分析相关参数对发电性能的影响。再次,使用ANSYS和COMSOL有限元仿真软件对基于弹性放大技术的压电俘能结构进行仿真,并将结果与Simulink仿真数据进行对比,验证理论仿真的正确性;进行另外一些理论仿真所未涉及的参数的仿真,说明这些参数对压电结构发电的影响;基于磁铁的非线性特性,设计出一种改进的基于弹性放大技术的非线性压电俘能结构,并对其进行有限元分析,结果表明,改进后的压电结构发电性能优于改进前的结构。最后,搭建结构并进行实验研究,设计能量收集电路对结构进行实际能量采集。结果表明,非线性结构所产生电压和频带宽度方面都优于线性结构,因此改进的压电俘能结构发电性能最优。将压电俘能结构接入收集电路中,采集电路的LED灯亮,且经过实际测算,为了使小灯两端电压达到5V,非线性结构需要48s,比线性结构所需时间少,因此能更快速地使小灯发亮。同时,经过计算可得,本文所改进的压电能量采集装置发电功率约为11.69mW,压电梁单位体积的输出功率为8.85?W/mm~3,比相同结构下纯压电简支梁结构输出效率高了约130%,足以为低功耗产品充电。因此在实际应用场合中,本文所提出的结构可以用于儿童发光鞋、闪灯运动鞋等,为这类鞋子的LED小灯充电,同时可以将此结构安装于鞋中,在紧急情况下,对低功耗产品供电。

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