基于碰撞的宽带低频能量采集器及其应用

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1、基于碰撞的宽带低频能量采集器及其应用重庆大学硕士学位论文(学术学位)学生姓名：李思宇指导教师：贺学锋教授专业：微电子学与固体电子学学科门类：工学重庆大学光电工程学院二O一五年五月AnImpact-BasedBroadbandLow-FrequencyVibrationEnergyHarvesterandItsApplicationsAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDegreeofEngineeringB

2、yLiSiyuSupervisedbyProf.HeXuefengSpecialty:Microelectronics&Solid-StateElectronicsCollegeofOptoelectronicEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay,2015中文摘要摘要微型振动能采集器具有体积较小、免维护、工作寿命长等优点，是无线传感器网络节点的一种理想电源。由于环境振动大多具有宽带、低频和微弱的特点，开发可高效采集环境中的宽带、低频振动能的微型能量采集器对扩大其应用范围具有重要

3、意义。针对碰撞式微型压电振动能采集器优化设计的需要，论文建立了带滚珠的碰撞式微型压电振动能采集器的理论模型，分析了环境激励和结构参数对采集器输出性能的影响，设计了自供能无线温湿度传感器的硬件电路，完成了自供能无线温湿度传感器的制作，并对其性能进行了测试。论文主要工作如下：①通过查阅国内外文献，对微型振动能采集器，特别是宽带振动能采集器的研究现状进行了分析；②建立了压电悬臂梁的集总参数模型和分布参数模型，建立了滚珠的运动方程、碰撞方程和耦合电路方程，在此基础上建立了带滚珠的碰撞式微型压电振动能采集器的理论模型；③基于以上理论模型，分析了加速度幅

4、值与频率、滑道长度、滚珠大小等对采集器输出性能的影响，设计出了具有较高输出的宽带低频振动能采集器，实验表明，当加速度的幅值频率分别为9.8m/s2和20.2Hz，负载为130kΩ时，采集器一根压电梁的输出功率为0.572mW，半功率带宽为27.8%或5.6Hz；④设计了电源管理电路和温湿度测量及无线发送电路，完成了基于宽带低频振动能采集器的自供能无线温湿度传感器的制作，实验表明，当外界环境振动加速度幅值为9.8m/s2，频率在7Hz到19Hz区间变化时，该自供能无线温湿度传感节点可正常工作。当激励频率为19Hz，采用两根悬臂梁供电时，该传感节

5、点测量并发送一次环境温湿度的时间间隔为34.2s。关键词：能量采集器，振动，压电，低频，自供能，温湿度，无线传感I英文摘要ABSTRACTAvibrationenergyharvesterhassuchadvantagesassmallvolume,maintenancefreeandlonglives.Theenergyharvesterisanidealsolutiontopowerthewirelesssensornetworknodes.Asthevibrationenergyinmostnaturalenvironmentsisch

6、aracterizedbylow-frequency,widebandandweak,itissiginificanttodeveloplow-frequencyandbroadbandenergyharvesters.Accordingtotherequirementsoftheoptimizationoftheimpact-drivenvibrationenergyharvester,amathematicalmodeloftheimpact-basedvibrationenergyharvesterwithaballwasestabli

7、shedandtheeffectsoftheenvironmentalexcitationandthestructuturalparametersontheoutputperformanceoftheharvesterwasanalyzed.Thecircuitofaself-poweredwirelesstemperatureandhumiditysensornodewasdesigned.Awirelesssensornodewasfabricatedandtested.Themaincontextincludes:①Theadvance

8、invibrationenergyharvestingandfrequencybandexpendingmethodswassummarizedandanalyze