论文部分内容阅读
无线传感技术不断得到普及应用。如何将自供电技术应用于传感器网络,为无线节点供电成为当下传感器电源供电技术的研究热点之一。利用能量收集技术为传感器供电,比有线供电和电池供电节约成本,同时便于无线传感器网络的长期运营维护。振动能量是自然界最常见的物理能量之一,能够被开发收集为处于振动环境中的无线传感器长期供应电能。现有的振动能量收集技术主要利用了装置与环境振动产生共振,因此能量收集的工作频率带宽很窄,一般工作在共振频率附近。而环境振动一般具有宽频特性,有限的响应带宽限制了该技术的实际应用。如何提升能量收集系统发电效能,以及如何拓展发电频宽,是针对压电振动能量收集技术研究的两个重要方向。 压电能量收集接口电路,又称为功率调理电路。已有的研究成果表明:功率调理电路的设计对提升谐振频率时的系统发电能力有显著作用。其中使用同步开关电感电路的系统比使用简单整流桥电路的系统提升好几倍的发电效能;而机械结构上多频响应、非线性等的设计方式能够有效拓宽系统的发电频率宽度,提升多频率下的发电功率。当使用具有更高效能的接口调理电路时,系统整体机电耦合强度提升,电气部分对机械部分的影响大大增强。这种影响能力的增强意味着存在能够通过电气方式实现更大程度地调控能量收集端的等效阻尼,实现阻抗匹配,提升系统的发电效能。除此以外,也意味着该系统具有更大的可调节的电致等效刚度或质量的能力,可以一定程度上实现对系统频响特性的电气调节。在不改变机械结构的前提下,既提升发电效能又拓展发电频宽。 本文基于目前的机械和电气等各种拓展压电振动能量收集的手段技术,建模比较了多种接口电路,利用能量流和等效阻抗分析原理,建立了各个接口电路的阻抗模型,并对其提升系统发电效能和拓展系统发电频宽的能力,进行了理论分析和实验验证。结果表明,接口电路不仅可以提升压电振动能量收集系统的输出电压和发电效能,而且其在强机电耦合的情况下,对系统发电频率的拓宽作用更加明显。相比于标准能量收集电路、同步开关电感电路,本文改进提出的相位可调开关电路具有更宽的振动频率响应。其在环境振动频率远离共振频率时,系统仍可保持优异的高能量收集效率。