【摘 要】
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由于传统无线传感网络中的节点过于依赖电池驱动,无法实现长期供能。自供电技术与超低功耗器件的协同发展解决了上述问题。环境中的许多能量可以采集并转换为可用的电能,最终为超低功耗器件长期工作提供一种新的自供电方案。本文针对传统电场能量采集器能量密度低和体积大的缺点,提出了拥有高能量密度和小体积特点的基于驻极体静电增强的电场能量采集器。基于驻极体静电增强效应,由于自身存在较大的驻电荷量,在高压线附近交变电
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由于传统无线传感网络中的节点过于依赖电池驱动,无法实现长期供能。自供电技术与超低功耗器件的协同发展解决了上述问题。环境中的许多能量可以采集并转换为可用的电能,最终为超低功耗器件长期工作提供一种新的自供电方案。本文针对传统电场能量采集器能量密度低和体积大的缺点,提出了拥有高能量密度和小体积特点的基于驻极体静电增强的电场能量采集器。基于驻极体静电增强效应,由于自身存在较大的驻电荷量,在高压线附近交变电场下产生振动,并与自身极化电场耦合增强感应电流,使得输出功率的增大,从而提高电场能量采集器的输出功率。结合输出特性的实际测试结果,设计了对应的电源管理电路,并且与输出功率相匹配的无线温度传感节点的应用测试,验证了该电场能量采集器的实用性。本文主要工作包括:1.结合驻极体的高电荷密度的特点,搭建了实验平台并对驻极体的关键技术进行了研究。阐述了环境对制备过程的影响,电荷密度和厚度与表面电位的关系,最终得到稳定-700V的表面电位。2.结合驻极体静电增强效应的工作原理对采集器进行设计。对高压电力线的电场分布用模拟电荷法进行了计算;并对结构在电场力下的振动力学和电学分析,得到了机电耦合模型;阐述了计算电场能量密度的公式,能从等体积的电场空间榨取0.224μW的能量。最后,制作了测试平台对电场能量采集器进行输出特性测试,在场强100k V/m和初始间距1mm的条件下得到了29.6μW的输出功率。3.为实现能量的有效利用,根据电场能量采集器的特点进行电源管理电路设计。对整流电路进行方案对比,选择了合理方案。设计了循环的储能释放控制电路,最终得到3.3V输出,得到了3.9μW的充电功率。用于高压电力线环境检测的无线测温系统开发,开发了节点软件部分。同时验证了电场能量采集器的实用性。
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