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随着信息互联网技术和传感器技术的发展,分布式无线传感器网络对能源供给模块提出了更高的要求。目前国内外对传感器网络中能源供给模块的研究主要集中在静电、电磁和压电式能量收集器系统独立构建与优化,鲜有复合式集成系统的建模与优化。本文针对密封机械振荡环境中对无线、无源传感器能量收集器的需求,采用有限元仿真技术设计并优化了电磁和压电相结合的复合式振荡能量收集器的数学模型。 首先针对复合式振荡能量收集器建模问题,通过分析经典能量收集器物理参数对时域的响应得到复合式能量收集器机械特性;然后为经典能量收集器添加静电驱动项,通过相平面和稳定性分析得到复合式能量收集器有外加电压输入下的系统特征和系统稳定参数范围;在此基础上通过添加电磁耦合项得到在特定几何参数下出现不稳定稠密极限环和混沌的复合式振荡能量收集器共振状态,最后设计了一种PID镇定控制器保证复合式振荡能量收集器模型产生稳定良好的轨迹追踪。 对于复合式振荡能量收集器的物理底层——电磁式能量收集器,通过设计弹性臂拾振系统得到了在低频频带中垂直于Z轴振动线圈的第一阶谐振模态,在N35永磁铁材料下设计并仿真出一种双层3块600微米间隙Halbach磁铁阵列的优化结构保证为线圈提供最大的电磁能量;将电磁式能量收集器线圈等效为电路模型后通过机电参数分析给出线圈选取优化建议。 对于复合式振荡能量收集器的物理上层——压电式能量收集器,以欧拉-伯努利方程前三阶固有共振频率为输入参数,取代阻尼板因收缩引起的能量获取减弱;为保证工作环境中的压电层的机电转换和电能输出效率本文采用升温模型的分子动力学模拟仿真验证了在1000K-1200K制备温度范围内PZT压电层可以形成充实饱满的分子晶体颗粒;最后通过优化经典能量获取电路得到优化了的二极管导通电压和滤波电容,通过主动能量获取方法使能量收集器获得更高的负载电压和多重最优负载功率。