压电悬臂梁振动能量收集器结构设计及实现
近年来,压电能量收集技术受到了广泛的关注。作为长期甚至无限生命周期的自主供电系统,压电能量收集器在一些不便更换电池或者希望避免电池更换的场合具有广阔的发展空间。然而,其输出功率仍然偏小,尚不能满足实际应用。 为提高压电能量收集器的输出功率,本文从压电振动能量收集器件的结构设计及实现入手,对压电能量收集系统结构和能量收集电路两个方面具体分析,设计了提高能量收集器件性能的几种结构并进行了理论及实验研究。 首先,针对不同形状基板和不同形状压电片的单压电片式悬臂梁能量收集器的发电行为进行了有限元建模和仿真分析,得出矩形基板和矩形压电片为最佳模型的结论,并在此基础上对压电片和基板进行尺寸优化。 为进一步提高压电能量收集器的输出功率并满足不同应用场合的需求,提出几种多压电片式能量收集器结构,主要包括压电双晶片悬臂梁式能量收集器、阵列式悬臂梁结构能量收集器和基于叠层结构的压电能量收集器,通过理论分析及有限元仿真,得出如下结论:对压电双晶片悬臂梁式能量收集器和阵列式悬臂梁结构能量收集器,串联结构和并联结构的最大输出功率相等,而且串联结构的最佳匹配电阻为并联结构的4倍,同时串联结构的最佳输出电压为并联结构的2倍,并联结构的最佳输出电流为串联结构的2倍。叠层结构的输出电流相比单片式能量收集器明显增大。 在上述理论分析和仿真分析的基础之上,搭建了压电振动能量收集器测试平台,分析设计了能量转换和存储电路,并对悬臂梁压电能量收集器的输出结果进行了实验研究,实验结果与理论分析、有限元仿真结果较为一致。对于压电双晶片能量收集器,在串、并联最佳匹配电阻分别为10KΩ和2.6KΩ时,最大输出功率达到0.8mW;对于阵列结构能量收集器,在串、并联最佳匹配电阻分别为3.6KΩ和1KΩ时,最大输出功率达到0.29mW;叠层结构的输出功率为单片式能量收集器的近两倍,有明显的改善。
自主供电系统;压电悬臂梁振动能量收集器;结构设计;性能评价;有限元仿真
华中科技大学
硕士
微电子学与固体电子学
姜胜林
2011
中文
TM919;TM910.3
77
2012-12-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）