一种振动能量采集器的匹配电路研究

针对Terfenol-D/PZT/Terfenol-D复合磁电换能器将环境振动能量转化为电能时,在低频环境下难以实现匹配的情况,提出一种非线性开关匹配电路的方法。该电路在较小的电感和较高的开关频率下,以非线性的方式提高了复合换能器功率的匹配输出。并且针对换能器输出不能直接为无线传感节点供能的问题,设计了一种存储和电源管理电路。实验结果表明,采用非线性开关匹配电路,输出提高2.1倍,当存储超级电容电量积累到一定程度,管理电路控制瞬间放电电路放电,成功驱动最大功耗为75 mW的无线传感器节点正常工作,放电时间持续620 ms,最大放电功率可达120 mW。     

基于频率变换的压电俘能器接口电路设计

设计了一种可以减小匹配电感的双同步开关电感电路。建立了仿真模型,仿真结果表明该电路的能量采集的功率最大可达1.9 mW。与一般同步电荷提取电路相比,该电路可以使整体电路体积减小了2/3。将此电路应用于不同形状的压电片的振动能量俘获,发现振动频率和压电片的形状对该电路收集到的能量都有影响,当振动频率为40 Hz时,在矩形压电片上收集到的能量最多。     

一种上变频自供电无线传感器电源管理电路

电线周围的电磁场能量密度低,电磁换能器采集到的能量通常无法直接驱动无线传感器正常工作.论文采用上变频技术,设计了一种自供电电源管理电路来提高能量采集效率.由于电路的输出功率与品质因数成正比,且品质因数的大小与电路谐振电容的根号值成反比,因此通过提高电路的工作频率来减小谐振电容值,可以使高品质因数的电路产生更高的输出功率,进而增加能量采集效率.实验结果表明,该电路的最大能量采集效率是传统桥式整流电路的2.1倍.当电线中通过1A、50Hz的交流电时,电源管理电路最大采集功率为780μW,能量采集效率达到48.75%.当管理电路中超级电容能量积累达到一定程度,电容放电驱动无线传感器工作.     

超声换能器电感电容匹配电路的改进

在研究压电超声换能器电感电容匹配电路原理的基础上，分析换能器工作时，由于温度等环境因素变化而引起的各项电性能参数的改变及对匹配电路电抗性质的影响规律。提出调整其中部分匹配电容为变容二极管的方法，减小匹配电路电抗性质受到的影响，由此得到一种在一定变化范围内适应能力较强，在固定频率要求下应用于功率超声的电端匹配电路，理论分析及实验证明该法可行。     

超声换能器空化驱动电路的设计研究

介绍了换能器超声空化的原理,设计了一种有效的超声换能器空化驱动电路,使换能器和功放电路的阻抗得到了很好的匹配.通过实验对3种不同频率的压电超声换能器的空化现象进行了研究.实验表明了该电路不仅能满足需要.而且具有电路简单,容易实现的优点.     

超声聚焦微喷压电换能器射频电源的设计

介绍了一种应用于生物微阵列中,工作频率为10~20 MHz的超声聚焦微喷压电换能器射频电源的设计。该射频电源采用基于直接数字频率合成(DDS)技术得到波谱纯净,频率连续可调,幅值可调,分辨率高且稳定的射频信号。采用具有可关断功能的视频运算放大器实现了一种简单实用、低成本的脉冲调制电路。功率输出级采用变压器推挽式功率放大电路,实现了宽带脉冲调制信号的功率有效放大。     

基于NIR-AOTF的超声换能器阻抗特性分析及驱动系统设计

该文从压电超声换能器的阻抗特性出发,在对换能器的输入阻抗及匹配网络进行了深入研究的基础上设计了一种基于高速单片机和直接数字频率合成器(DDS)的NIR-AOTF驱动系统,采用软件查表法将各个频段驱动信号所对应的电压幅值控制字做成表并保存在单片机中,实现了DDS在各个频段的恒功率输出,并采用新型的宽带阻抗变换网络加载在压电换能器,最终在30~80MHz带宽范围内匹配网络 ＞-0.276dB,回波损耗 ＜-10.173dB。由于驱动电路提供功率为36dBm,实验证明换能器获得功率高于35dBm,达到超声换能器实际工作的3-4W功率要求, NIR-AOTF的0级光谱衍射效率最高达73％。     

功率超声压电换能器阻抗匹配电路参数化设计

针对功率超声压电换能器,因工作环境变化和负载差异而导致匹配失调,及因匹配参数计算复杂而导致设计效率低、易出错的问题,在分析传统LC匹配电路的基础上设计了一种增加可调元件进行匹配失调补偿的改进型LC匹配电路,提出了一种功率超声压电换能器阻抗匹配电路的参数化设计方法,开发了相应的参数化设计软件,通过实验验证表明,该设计方法和软件为功率超声压电换能器匹配电路的设计提供了一种方便、实用、快捷、可靠的手段。     

压电超声换能器的电端匹配电路及其分析

本文分析了压电超声换能器的几种匹配电路及其匹配原理,推出了超声频电发生器与换能器之间的理想匹配条件,研究了电端匹配电路对换能器的谐振频率及其有效机电耦合系数的影响,所得结论为压电超声换能器匹配电路的设计提供了一定的理论依据。     

悬臂梁式压电振动能量收集系统输出功率的优化研究

针对环境振动能量较小、振动源频带较宽导致压电能量收集系统输出功率较低的问题,探究了悬臂梁式结构能量收集系统采用并联或串联电感优化统输出功率的方法和特性,分析了不同并、串联电感值对输出功率的影响.鉴于压电悬臂梁的工作频率较低,匹配电感值较大,采用无损模拟电感进行了实验验证.理论分析与实验结果均表明,在不同的激振频率下对应不同的匹配电感值,在偏离谐振频率附近也可获得与谐振状态几乎相同的最大输出功率,从而拓宽了工作频率,提高了压电振动能量收集系统的能量收集水平.当激振频率分别是谐振频率的0.8和1.2倍时,并联或串联电感获得的最大输出功率分别是无电感纯电阻负载的26.4倍和18.2倍.     

面向压电能量收集的传感器自供电电源设计

随着物联网传感器网络的快速发展,微弱能量收集电路因其诸多优越性而备受关注。该文设计了一种基于压电能量收集技术的电路,其通过收集环境中的低频机械振动能量,经压电陶瓷(PZT)换能器产生交流电压,再经四倍压电路放大,并通过LTC3588-1电源管理电路整流变换,最终产生一个可供低功耗传感器工作的可切换的标准电压。实验结果表明,该电路可有效支持低功耗传感器正常工作。     

直管谐振式低频压电声能量回收系统

为了高效回收环境中的声能,基于阵列式压电换能器、直管谐振腔以及能量回收电路提出了一种声能量回收系统.当声波进入直管谐振腔,管中产生谐振驻波作用于压电换能器,将声能转换为电能.本文设计了能量回收电路并且进行理论、仿真分析实验研究了压电振子数量、声波频率、声压级对输出电压的影响,分析了负载电阻对输出电压及功率的影响.实验结果表明,该装置可回收不同频率的声能量,在声波频率为96Hz时发电效果最优.当入射声压级为110dB时,不使用能量回收电路,输出交流电压有效值最高达12.9V,输出交流功率最高达到799μW;使用设计的能量回收电路,最高输出直流电压为64.2V,最高输出直流功率为473μW.该声能量回收系统不仅可以作为声能量采集器,还能对无线传感节点等独立工作的微型电子系统供能.     

多悬臂梁压电换能器电路的设计与实现

介绍了一种多悬臂梁压电换能器电路。与标准能量采集电路(SEH)相比,三悬臂梁压电换能器电路的理论最大平均采集功率提高了300%。利用Multisim软件仿真,结果表明,三悬臂梁压电换能器电路的最终输出电压为SEH电路的2.11倍;进一步搭建实际电路,其最终最大输出功率为SEH电路的3.12倍,能量转化与利用效率显著提高。     

一种基于新型欠压闭锁电路的能量收集方法

目前自供电无线压电传感器网络已被广泛应用在智能家居及环境监测等领域。组成网络的每个压电传感器节点需要完成不同功耗的任务,如数据采集、存储等低功耗任务和数据无线传输的高功耗任务。针对低功耗和高功耗任务,该文设计了基于新型欠压闭锁电路的双模组能量收集电路,电路具有蓄能周期短和容量大的特点,可分别用于低功耗任务的低功耗级蓄能模组和高功耗任务的高功耗级蓄能模组,解决了传统单模组能量收集电路因压电传感器节点工作时能量不足或充电过于频繁导致传感器网络无法正常工作的问题。实验结果表明,采用新型欠压闭锁电路的能量收集电路最短蓄能周期仅10 min,能量收集电路最长可驱动压电传感器节点在高功耗模式下工作52 s,是解决自供电无线压电传感器网络能量供给问题的有效办法。     

一种小型超低相噪恒温晶振的设计

在电源与超声换能器间,匹配电路起纽带和桥梁作用。大功率超声系统能否正常工作,取决于匹配电路的设计。该文从大功率超声换能器的阻抗特性和实际工作条件出发,对换能器匹配技术进行了研究,提出了一种电容、电感串、并联结合的匹配电路,以及一种可对匹配电感值进行在线调节的新型电路结构。经过ADS仿真和实际工作验证,大功率超声换能器在这种匹配电路下可长时间稳定地工作,且调试上更方便快捷。     

A Low-Power Stand-Alone Adaptive Circuit for Harvesting Energy From a Piezoelectric Micropower Generator

An adaptive energy-harvesting circuit with low power dissipation is presented and demonstrated, which is useful for efficient ac/dc voltage conversion of a piezoelectric micropower generator. The circuit operates stand-alone, and it extracts the piezoelectric strain energy independent of the load and piezoelectric parameters without using any external sensor. The circuit consists of a voltage-doubler rectifier, a step-down switching converter, and an analog controller operating with a single supply voltage in the range of 2.5–15 V. The controller uses the piezoelectric voltage as a feedback and regulates the rectified voltage to adaptively improve the extracted power. The nonscalable power dissipation of the controller unit is less than 0.05 mW, and the efficiency of the circuit is about 60% for output power levels above 0.5 mW. Experimental verifications of the circuit show the following: 1) the circuit notably increases the extracted power from a piezoelectric element compared to a simple full-bridge diode rectifier without control circuitry, and 2) the efficiency of the circuit is dominantly determined by its switching converter. The simplicity of the circuit facilitates the development of efficient piezoelectric energy harvesters for low-power applications such as wireless sensors and portable devices.      

A proposed technique for power extraction from acoustic energy scavenging

In this study, converting acoustic to electric energy was achieved via the Disk Jockey (DJ) model TG5000, which worked as a noise source, and the piezoelectric model 7BB-41–2, which worked as a transducer. We proposed different states of piezoelectric transducer’s mounting on DJ and examined the results to determine the optimum state for maximization of the converted power. We proposed a technique which comprises four stages, and each stage is composed of a piezoelectric transducer followed by a voltage multiplier. The outputs of the four stages were connected in parallel, and these transducers were mounted via their bodies on the slim diaphragm of the acoustic focusing tube. The results indicated that the maximum converted power values were 1.225 mW with a load resistor of 10 kΩ for one stage, 1.089 mW with a load resistor of 10 kΩ for two stages, 1.682 mW with a load resistor of 5 kΩ for three stages, and 5.891mW with a load resistor of 2.2 kΩ for four stages at a sound intensity level of 85 dB and sound wave frequency of 2.1 kHz.     

拨动式上变频压电俘能器的设计与研究

该文提出了一种基于弹簧振动平台的上变频压电俘能器,解决了低频振动能量收集效率低的问题。分析了压电悬臂梁输出功率与激励频率的三次方正相关,解释了采用上变频收集低频振动能量的原因。应用赫兹接触理论分析了拨片与压电悬臂梁的接触力,建立了拨动式激励的压电俘能器机电耦合模型。在综合考虑重叠长度和拨片厚度等影响因素后,选取厚度0.1 mm矩形不锈钢拨片。实验表明,在1g（g=9.8 m/s²）、5.67 Hz的激励信号下,单拨动式上变频V25W型压电悬臂梁输出功率可达9.6 mW,具有很强的低频能量收集性能。     

涡街提频振荡水柱驱动压电发电理论分析

海洋波浪能频率低(0.3～1 Hz),海浪进入振荡水柱气室压缩空气形成高速气流。在高速气流通道内放置绕流圆柱钝体,采用卡门涡街效应提高波浪能振荡水柱采集气室气压激振频率,实现高频驱动压电发电,提高海洋能量转换效率。推导波浪进入气室形成振荡的水气动力转换理论,计算了气室初级压强和流速。分析了低频高压气流经钝体形成卡门涡街高频涡流激振提频过程,计算出气压作用于钹型压电发电结构输出的电量。研究气体流速、钝体等系统参数与输出能量的关系。计算结果表明,周期为0.65～1.1 s的海浪进入气室经提频作用于钹型压电发电结构,稳定输出电能可达70～80 mW,为新型波浪能采集技术提供了理论基础。