基于MEMS振动能量采集器的微电源设计与性能优化
传感器和网络等通讯技术日益成熟催生了物联网技术的快速发展，且物联网系统中包含着数以万计的传感器等待供能设备。目前的技术水平可以使这些设备的功耗低至微瓦，但传统的电池供电方式仍常常无法满足其持久、稳定、可集成、环境友好型等供能需求。本文设计了一种由振动能量转换模块、电能收集与存储模块以及升压模块三大模块组成的微电源，通过将微电源与物联网待供能设备集成而形成自供能设备，将能为物联网系统提供一种较为理想的供能解决方案。 本文在前人研究成果基础上，先由微压电悬臂梁结构着手，考虑尺度效应影响因素，探讨了其力学性能变化规律;接着分别完成了能量转换模块、电能收集与存储模块和升压模块的设计与性能研究;最后针对现阶段能量采集器的不足之处，提出了一种新型的能量采集器结构设计方案，并进行了相关理论分析。主要内容包括：⑴微悬臂梁动力学模型改进。针对微悬臂梁结构的压电式振动能量采集器考虑尺度效应影响，采用偶应力理论改进了微悬臂梁动力学模型，并结合实验测试结果充分说明了改进模型的准确性。⑵基于MEMS能量采集器的微电源设计与性能分析。在改进微悬臂梁式压电能量采集器模型的基础上，通过仿真分析并结合实测数据，探讨了其电能输出性能影响因素;进一步应用BQ25504和TPS61020芯片进行了电能收集与存储模块和升压模块的电路设计，并采用TINA对电能收集与存储模块以及升压模块的工作性能分别进行了分析。⑶微电源性能优化。针对微电源能量源头的能量采集器目前存在的高谐振频率和窄工作频带问题提出了一种n段梁和n个质量块组成的新型结构，并推导了其在外界激励下的位移响应以及输出电压的计算公式。以n=2和n=4的采集器为研究对象，分析了其产生的电荷量和电压随频率变化的关系，结果表明采集器的谐振频率实现了大幅度降低，且有效工作频带得到较大拓宽。
振动能量;能量转换;采集器;换能器
山东大学
硕士
机械电子工程
霍睿
2017
中文
TN712;TN702
87
2017-09-05（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）