压电能量俘获系统建模及仿真

针对压电悬臂梁结构能量俘获系统进行建模,利用电路系统和机械系统的相似关系,将压电俘能结构模型等效为电路系统模型;为建立压电能量俘获系统完整模型,基于LTC3588-1为核心的能量转换电路等效为降压及整流电路,并利用LTspice软件仿真验证该等效电路的正确性.在Matlab/Simulink系统中搭建压电能量俘获系统整体模型并进行仿真,根据仿真结果对模型参数进行优化.通过对实验数据对比、分析,验证系统模型的合理性,结果表明系统可以稳定输出3.3 V直流电压,最佳阻抗匹配条件下,输出功率为2.6 mW.      

一种低频压电俘能器准静态分析与能量收集试验

针对环境中的低频振动能量,基于低频悬臂梁压电结构,建立了压电俘能器的准静态振动模型,并通过数值仿真与试验对其进行了验证.结果显示,数学模型与数值仿真及试验结果相吻合.当该结构在一阶谐振（58.9 Hz）状态,且激励加速度10 m/s2时,结构开路输出电压可达86.3 V,最大输出功率为27.5 mW.另外,针对压电俘能器的能量存储问题,采用LTC3588-1芯片,设计了相应的能量采集电路,并进行了超级电容充电试验.结果显示,对0.22F 5 V超级电容充电6 000 s可达到3.6 V电压.      

一种具有冷启动功能的自供电压电能量收集系统

文章根据并联同步开关电感收集(parallel synchronized switch harvesting on inductor, P-SSHI)技术,提出一种自供电的压电能量收集系统,实现了在低激励环境下的系统启动和电压输出功能,并基于压电材料分离电极理论设计冷启动电路。该系统采用带有有源二极管的P-SSHI整流电路代替传统的整流结构,以减少整流过程的能量损耗,能够在动态范围内调节输出电压,实现多输出负载的功能。基于0.18μm CMOS工艺仿真结果表明,该系统的电压翻转效率达到85%,输出功率是采用传统整流电路的5.8倍,同时能够产生1.2、1.8 V 2种电压,用于不同负载供电。该自供电能量收集系统可用于解决物联网无线传感器网络节点的自供电问题。     

压电俘能器涡激振动俘能的建模与实验研究

针对微机电系统和传感器等低能耗电子产品的持续供能问题,提出了一种涡激振动式压电俘能器。该俘能器由压电悬臂梁和末端圆柱体组成,结构简单,可在较低水流流速下产生涡激共振,得到较大的能量输出。通过数学建模和实验测试的方法,研究了水流速度和外接电阻对压电俘能器振动和俘能的影响规律。实验结果表明:压电俘能器的振动频率随流速的增大而增大,振动幅值在涡激共振时最大,输出功率受流速和外接电阻两者影响,较小外接电阻适合较高流速,较大电阻适合较低流速,压电俘能器在涡激共振处可获得最大的能量输出,当外接电阻为0.5 MΩ、流速为0.41m/s时,实验测试得到了8.3μW的最大输出功率。数值分析结果与实验测试结果吻合较好,验证了数学模型的正确性。     

双端固支梯形梁压电俘能器机电耦合模型与试验分析

针对环境中的低频振动能量,基于双端固支梁压电结构,建立了梯形梁压电俘能器的机电耦合振动模型,并通过试验对其进行了验证.结果显示,数学模型与试验结果相吻合.当梯形梁结构在1阶谐振（96.85 Hz）状态,且激励加速度2 m/s2时,结构单侧开路输出电压峰值可达44.43 V,最大输出功率为6.16 mW.另外,双端固支梯形梁结构与矩形梁结构的比较试验结果显示,双端固支梯形梁压电结构可以有效降低谐振频率,输出开路电压较矩形结构提高22.7%,输出最佳负载功率较矩形结构提高33.0%.      

圆柱斜切体涡激振动压电俘能器的输出特性研究

随着微机电系统的广泛应用以及能源日益短缺,为微机电系统持续稳定的自供能是亟待解决的问题。提出了一种新颖的带斜切角度圆柱体涡激振动压电俘能器,以拓宽工作频带和提高输出性能。对斜切角度分别为30°、45°、60°的圆柱斜切体及光滑圆柱的涡激振动压电俘能器进行建模,采用风洞实验对其进行验证。采用该模型对斜切角分别为30°、45°、60°圆柱斜切体及光滑圆柱涡激振动压电俘能器在最优负载及不同风速下的输出电压和功率进行研究。结果表明：当最佳负载为0.5 MΩ和风速在1.413～3.164 m/s时,不同斜切角度压电俘能器的输出电压和输出功率随着风速增大先增大后减小;在斜切角为30°和3.057 m/s下的输出电压最大为4.274 V,输出功率最大为0.037 mW。相对于光滑圆柱,带斜切角度压电俘能器拓宽工作频带和提高俘获性能。斜切角为30°压电俘能器的输出功率比光滑圆柱提高106%。该工作为设计高效的压电俘能器提供一种新的方法。     

复合型压电俘能器的力电特性研究

研究了由金属及压电陶瓷构成的复合型压电俘能器的动力学及力电转换特性。基于薄板小挠度理论,对复合型压电俘能器进行振动分析,确定了在周期性均布载荷作用下该结构所产生电压、功率与其几何参数之间的关系。同时结合实验,研究了不同负载电阻情况下压电俘能器的输出功率并讨论了能量转换效率问题,并分析了压电俘能器的几何参数、不同金属材料对力电转换特性的影响。     

主动式压电俘能电路研究分析

现有的压电俘能器大多是针对某一较窄频率范围内的振动情况而设计,但周围环境的频率范围非常宽泛且随时可能发生变化,导致一般俘能器很难实现能量俘获或俘能效率低,为了解决这一问题,设计了一种新的T型压电悬臂梁作为俘能装置。从结构设计和电路设计2方面出发,进行了静力学分析、模态分析和谐振分析,得出压电结构装置的固有频率和激振力频率等响应,对新型的主动式俘能电路进行设计,计算电路的功率损耗以及元器件损耗量。通过对主动式俘能电路进行计算仿真验证,以及对主动技术和被动技术进行对比分析,得到主动技术所获得的最大功率是被动技术的5倍。由此可知,运用电压控制型主动边界控制方法进行接口电路设计,主动利用每个压电换能周期中触发的电学边界条件,可有效增加输入压电俘能器的机械能,进而增大输出的电能。该研究创新了利用压电材料主动俘能的方式,对压电俘能的发展有积极的促进作用。     

铌酸钾钠无铅压电纳米棒阵列的自供电 紫外敏感特性研究

采用水热合成技术生长铌酸钾钠(KNN)纳米棒阵列,研究KNN纳米棒阵列的压电响应、光吸收特性和紫外光辐照下的压电发电性能.结果表明,在190℃的水热反应下,可在[100]取向的钛酸锶单晶衬底上生长出沿正交相[110]取向的KNN纳米棒阵列.单根KNN纳米棒的径向压电常数约为56 pm/V.此外,KNN纳米棒阵列对360 nm以下的紫外光具有较强吸收,且吸收峰位于245 nm处.将纳米棒阵列进行封装,可构成垂直结构的压电发电器件.在作用力为8 N、频率为3 Hz的垂直敲击作用下,纳米棒阵列在黑暗环境中可产生峰峰值为8.11 V的交流脉冲电压,且输出电压峰峰值会随器件所受紫外辐照的波长和功率的变化而发生改变,呈显著自供电的紫外光敏特性.其中,当光功率为0.25 mW/cm~2、紫外光波长从310 nm降低至265 nm时,器件输出电压峰峰值由7.87 V降低至7.64 V.当紫外光波长为310 nm,光功率提高至3.25 mW/cm~2时,器件峰峰值降低至7.54 V.KNN纳米棒阵列这种自供电紫外敏感特性,可归因于紫外光照射下KNN纳米棒中光生载流子在压电势作用下的重新分布对压电势的屏蔽效应所致.     

高压气体激励式压电俘能器的设计与实验

为满足对气动系统无线传感网络的供电需求,设计了一种密封性能优异、外置型气体激励式压电俘能器,搭建了俘能特性实验测试系统.以换向阀换向过程产生的交变气体为激励,通过改变换向冲击压力和负载电阻,分析峰值电压和峰值功率,探究了俘能器的俘能特性.结果表明:换向冲击压力越大,俘能器产生的峰值电压越高;负载电阻增大,峰值电压升高,且升压时间增长;当负载电阻在70～5 500 kΩ范围内时,会出现较高峰值功率;当换向冲击压力为0.4 MPa时,最大输出峰值功率可达90.03 μW.     

基于涡致振动的内置压电悬臂梁柔性圆管能量收集结构的数值模拟

为了分析基于涡致振动的内置双晶压电悬臂梁柔性圆管压电能量收集结构的运动机理和性能,对其进行了流固耦合和压电耦合数值模拟。对一端固定一端自由的柔性圆管进行了流固耦合数值模拟,在流速为1.1 m/s,柔性圆管直径D为0.03 m,高度为0.11 m时,该结构的涡致振动能够处于稳定的锁频状态。对折合速度为1.3～4.0,中心距为3D～6D的前置等径刚性圆柱阻流体的柔性圆管进行了流固耦合和压电耦合的数值模拟。研究结果表明,柔性圆管的振幅响应和压电悬臂梁的开路输出电压均随折合速度的增大而增大,在仿真参数范围内,结构的振幅响应和输出电压时程曲线均为稳定的周期函数。当折合流速为4.0,中心距为5D时,结构产生的振幅最大,为2.38×10~(-3) m,电压为6.75 V。证明了根据不同流速,可以通过调节圆管的结构参数以使涡致振动产生锁频现象,从而得到最大振幅和输出电压,进而可将其用于电能收集,为下一步能量收集结构的实验制备提供了理论参考。     

多功能电子仪表电源设计

设计了一种应用于多功能电子仪表的低噪声稳压电源电路,该电路通过AC-DC和DC-DC转换,实现了±3.3 V/±5 V/±12 V电压输出。通过测试结果表明,采用该电源控制电路组成的系统在提高电路性能的同时,可以有效提高系统的稳定性和抗噪性,具有输出电压精度高、输出纹波小、低噪声、安全可靠等特点。     

风力发电系统中直流辅助电源的设计与仿真

为了满足风力发电系统中各监测单元模块对供电系统的需求,设计了一款多输出直流(direct current, DC)辅助开关电源。根据辅助电源参数的具体要求,理论分析并设计了DC-DC高频反激变压器;选用稳压管TL431、光电耦合器PC817以及UC2842控制芯片,实现对输出电压的采集、输入电流的采样以及功率MOS(metal, oxide, semiconductor)管的驱动;搭建了一款输出电压为5、15、24 V的多输出双闭环控制的反激开关电源电路,并利用Saber软件对设计的直流辅助开关电源电路进行了仿真。仿真结果表明:设计的多输出直流辅助开关电源的输出电压、占空比以及开关频率符合设计要求,其值均在设计要求精度的10%以内。可见设计辅助电源电路中所采用的方法简单有效,且电路各元器件参数值的选取合理,其方法和结果可在后续直流辅助电源系统电路的硬件开发中为各元器件参数的优化提供参考依据。     

基于 WSAR-ADC的降压型 DC-DC 控制器设计

设计了一种基于加窗逐次逼近寄存器（ WSAR）模拟数字转换器（ ADC）的降压型DC-DC控制器,这种WSAR-ADC适用于数字电源系统,通过对输入电压进行加窗处理,能有效地降低芯片的复杂度;并利用蚁群算法,对该DC-DC控制器的比例积分微分（PID）参数进行了整定,使得整个系统能够稳定工作。电路使用BCD（Bipolar/CMOS/DMOS）0．5μm工艺,输入电压3．3 V,输出电压1 V,设计最大负载电流2 A,纹波小于9 mV,开关频率500 kHz。经过验证,该降压型DC-DC控制器能满足数字电源的采样需求。     

冲击加载对爆电换能器电输出特性的影响

为阐明自供能装置中以压电陶瓷为核心装置的动态响应特征,通过模拟自供能技术中爆电换能器冲击压电陶瓷的真实工况,揭示了冲击应力对压电陶瓷电输出特性的影响.利用霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)作为冲击装置,通过改变子弹的冲击速度进行冲击PZT-5压电陶瓷实验.同时利用有限元分析软件进行冲击压电陶瓷的有限元分析,将实验结果与仿真结果进行对比.结果表明:实验结果与仿真结果基本吻合,冲击速度在7～31.3 m/s时,通过改变爆电换能器的冲击速度可以改变爆电换能器的输出电压峰值,并且爆电换能器中的压电陶瓷受到的冲击应力峰值与压电陶瓷产生的电压峰值呈正相关.     

低功耗、高线性CMOS可编程放大器

针对接收机前端中可变增益放大器需要高线性处理大信号的问题,分析了使用源极退化电阻以及跨导增强电路的放大器线性度;设计了使用改进型跨导增强电路的放大器。它具有更强的跨导增强能力,同时减小了输入M O S管跨导由于漏源电压变化产生的非线性失真。提出了一种对称的可变电阻结构,它降低了M O S管开关带来的非线性。仿真结果表明,放大器在3.3V电源电压下直流功耗为1.5mW,在1~10MH z带宽、3~24 dB增益范围内,差分输出信号峰峰值为3.3V时,总谐波失真低于-60 dB。     

压电微悬臂梁振动能量采集器谐振频率和功率的研究

压电振动能量采集器可将自然界中广泛存在的机械振动能转换为电能,并且一直向微型化电源的目标迈进．为此,以矩形压电微悬臂梁结构作为换能单元,通过时压电层等效电流源和单相桥式整流电路的理论及相关公式的推导,得出微能量功率的计算公式．通过分析看出,在实际设计压电振动能量采集装置时,可采用适当增加质量块质量和减小梁长度的方式来满足整体结构在自然环境中实现低频谐振、获得较大的功率输出的设计要求．