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基于cymbal换能器能量采集系统的研究

更新时间：2020-04-04 10:53:35 大小：841K 上传用户：IC老兵查看TA发布的资源 标签：能量采集系统 下载积分：3分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

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。

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