压电能量回收的自适应机械电子开关结构的研究
发布时间：2021-02-05 20:25
随着低功耗电子元件的技术发展,无线传感网络得到大面积推广,使用能量回收技术对其供电是解决无线传感网络向实用化发展的关键技术之一。压电材料的能量密度大且易于集成设计,因此在能量回收领域广泛运用。压电能量采集装置可安装在车辆发动机或者悬架上,用来采集车辆行驶过程中的振动能量,所采集的电能可给无线传感模块供电,将采集的信号发送给车载电脑,即可实现对发动机、悬架运行状况的监测。车载电脑可根据振动信号对发动机、悬架的工作状态进行分析,及时发现不利于行车安全的因素并反馈,可有效提高车辆的安全性。而能量提取电路的能量提取效率直接关系到系统的输出功率,本文基于并联同步开关电路（SSHI）,提出了一种具有自适应机械同步开关的能量回收提取电路,这种电路的能量收集效率高、输出稳定并且自适应不同的振动环境,主要贡献如下:（1）本文首先引入了悬臂梁压电发电的机电换能原理,在此基础上介绍了标准能量回收电路（SEH）、同步电荷提取电路（SECE）、串联同步开关电路（Series-SSHI）、并联同步开关电路（Parallel-SSHI）的工作原理,然后基于P-SSHI在悬臂梁压电能量回收装置上的优势,提出了两种能够...
【文章来源】：西南交通大学四川省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
无线传感网络实际运用
西南交通大学硕士研究生学位论文第4页图1-2常见能量形式及其能量密度1.3振动能量回收方式能量回收的方式多种多样，不同的能量回收方式适用于不同的环境状况，这些回收方式都有各自的优点，也有其不足之处。本文研究的是振动能量回收，其回收方式主要有电磁式、静电式和压电式三种。1.3.1电磁式振动能量回收电磁式振动能量回收是利用在振动环境下，线圈或磁体在激励作用下发生相对运动，从而导致线圈切割磁感线产生与激励频率相同的交流电压，如图1-3。现有的风力发电、水力发电均是利用这一原理，只是能量来源有所不同。虽然电磁式能量回收装置原理易懂，结构并不复杂，制作加工都很方便，但是线圈和磁铁分开布置，增大了装置的体积，且现有的微加工技术很难集成制造，这限制了电磁式能量回收技术在微机电系统之中的运用。
西南交通大学硕士研究生学位论文第5页图1-3电磁式能量收集1.3.2静电式振动能量回收静电式振动能量回收主要是由两个电容极板组成，这两个极板的距离并不是固定的，在外界振动作用下，极板间会产生相对运动，此时电容极板的电容值发生变化，储存在电容极板里面的电荷发生相应的流动，这就造成能量的变化，实现了能量的转移，机械能就转换成了电能[17]，如图1-4。图1-4静电式能量收集静电式虽然具有IC工艺兼容性，可通过硅微加工技术进行批量加工，与电磁能量回收技术相比，静电式能量回收装置具有尺寸小，输出电压高的特点。但为了实现可变电容两端的电荷约束，该装置需要外界电源来维持，这就不符合无线传感网脱离外界电源的目的，使其推广运用受到限制。
【参考文献】：
期刊论文
[1]典型压电俘能器的发展现状与俘能机理分析[J]. 王爽,吕宝占. 电子元件与材料. 2018(11)
[2]新型同步机械开关提升压电能量收集效率及其在非线性系统下的特性分析[J]. 葛聪,刘海利,梁俊睿. 机电工程. 2017(11)
[3]压电式可穿戴集能器的研究现状及发展趋势[J]. 曹文英,聂芳辉,黄巍,谷秋瑾,于伟东. 电子元件与材料. 2016(08)
[4]悬臂梁能量回收装置压电片位置与尺寸优化研究[J]. 卫海霞,王宏涛. 压电与声光. 2016(02)
[5]自供电的同步电荷提取电路的优化设计[J]. 屈凤霞,夏银水,施阁,叶益迭,寇彦宏. 传感技术学报. 2016(03)
[6]热电发电技术的研究进展[J]. 叶晓军,周海峰,王荣杰,唐俊. 应用能源技术. 2014(08)
[7]压电振动能量收集系统中二极管整流电路的RC等效模型分析[J]. 白凤仙,包华宇,董维杰,夏书峰. 电源学报. 2014(03)
[8]压电振动能量收集器的等效电路建模分析与实验验证[J]. 王宏金,孟庆丰. 西安交通大学学报. 2013(10)
[9]基于压电材料的振动能量回收技术现状综述[J]. 边义祥,杨成华. 压电与声光. 2011(04)
[10]微型压电振动能量采集器的研究进展[J]. 唐刚,刘景全,马华安,柳和生. 机械设计与研究. 2010(04)
硕士论文
[1]PZN-PNN-PZT压电陶瓷材料在能量收集装置中应用[D]. 沈钦龙.南京航空航天大学 2015
[2]基于二次同步开关技术的压电振动能量回收接口电路研究[D]. 王玉霞.南京航空航天大学 2014
[3]基于压电能量采集的无线传感网络节点供能技术的研究[D]. 李攀峰.杭州电子科技大学 2014
[4]悬壁梁压电振动能量收集系统输出功率的优化[D]. 马桂帅.大连理工大学 2013
[5]基于压电材料的振动能量采集技术的研究[D]. 王强.江苏大学 2008
[6]压电发电装置的能量转换及存储特性研究[D]. 贾杰.吉林大学 2008
本文编号：3019527
【文章来源】：西南交通大学四川省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
无线传感网络实际运用
西南交通大学硕士研究生学位论文第4页图1-2常见能量形式及其能量密度1.3振动能量回收方式能量回收的方式多种多样，不同的能量回收方式适用于不同的环境状况，这些回收方式都有各自的优点，也有其不足之处。本文研究的是振动能量回收，其回收方式主要有电磁式、静电式和压电式三种。1.3.1电磁式振动能量回收电磁式振动能量回收是利用在振动环境下，线圈或磁体在激励作用下发生相对运动，从而导致线圈切割磁感线产生与激励频率相同的交流电压，如图1-3。现有的风力发电、水力发电均是利用这一原理，只是能量来源有所不同。虽然电磁式能量回收装置原理易懂，结构并不复杂，制作加工都很方便，但是线圈和磁铁分开布置，增大了装置的体积，且现有的微加工技术很难集成制造，这限制了电磁式能量回收技术在微机电系统之中的运用。
西南交通大学硕士研究生学位论文第5页图1-3电磁式能量收集1.3.2静电式振动能量回收静电式振动能量回收主要是由两个电容极板组成，这两个极板的距离并不是固定的，在外界振动作用下，极板间会产生相对运动，此时电容极板的电容值发生变化，储存在电容极板里面的电荷发生相应的流动，这就造成能量的变化，实现了能量的转移，机械能就转换成了电能[17]，如图1-4。图1-4静电式能量收集静电式虽然具有IC工艺兼容性，可通过硅微加工技术进行批量加工，与电磁能量回收技术相比，静电式能量回收装置具有尺寸小，输出电压高的特点。但为了实现可变电容两端的电荷约束，该装置需要外界电源来维持，这就不符合无线传感网脱离外界电源的目的，使其推广运用受到限制。
【参考文献】：
期刊论文
[1]典型压电俘能器的发展现状与俘能机理分析[J]. 王爽,吕宝占. 电子元件与材料. 2018(11)
[2]新型同步机械开关提升压电能量收集效率及其在非线性系统下的特性分析[J]. 葛聪,刘海利,梁俊睿. 机电工程. 2017(11)
[3]压电式可穿戴集能器的研究现状及发展趋势[J]. 曹文英,聂芳辉,黄巍,谷秋瑾,于伟东. 电子元件与材料. 2016(08)
[4]悬臂梁能量回收装置压电片位置与尺寸优化研究[J]. 卫海霞,王宏涛. 压电与声光. 2016(02)
[5]自供电的同步电荷提取电路的优化设计[J]. 屈凤霞,夏银水,施阁,叶益迭,寇彦宏. 传感技术学报. 2016(03)
[6]热电发电技术的研究进展[J]. 叶晓军,周海峰,王荣杰,唐俊. 应用能源技术. 2014(08)
[7]压电振动能量收集系统中二极管整流电路的RC等效模型分析[J]. 白凤仙,包华宇,董维杰,夏书峰. 电源学报. 2014(03)
[8]压电振动能量收集器的等效电路建模分析与实验验证[J]. 王宏金,孟庆丰. 西安交通大学学报. 2013(10)
[9]基于压电材料的振动能量回收技术现状综述[J]. 边义祥,杨成华. 压电与声光. 2011(04)
[10]微型压电振动能量采集器的研究进展[J]. 唐刚,刘景全,马华安,柳和生. 机械设计与研究. 2010(04)
硕士论文
[1]PZN-PNN-PZT压电陶瓷材料在能量收集装置中应用[D]. 沈钦龙.南京航空航天大学 2015
[2]基于二次同步开关技术的压电振动能量回收接口电路研究[D]. 王玉霞.南京航空航天大学 2014
[3]基于压电能量采集的无线传感网络节点供能技术的研究[D]. 李攀峰.杭州电子科技大学 2014
[4]悬壁梁压电振动能量收集系统输出功率的优化[D]. 马桂帅.大连理工大学 2013
[5]基于压电材料的振动能量采集技术的研究[D]. 王强.江苏大学 2008
[6]压电发电装置的能量转换及存储特性研究[D]. 贾杰.吉林大学 2008
本文编号：3019527
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