基于同步电荷提取的压电能量俘获电路设计

利用压电振动能量收集技术具有的力-电耦合效应高,无电磁干扰,机构简单等特点,该文提出了一种对称式自供电同步电荷提取电路(SSP-SECE),使用互补三极管实现同步开关控制,通过导向二极管与检测电容可实现峰值自检测。使用Multisim软件建模仿真测试了电路方案的合理性,实验验证了电路的有效性。实验结果表明,采用优化设计的SSP-SECE接口电路使负载电阻功率比标准能量采集电路高约4.23倍,相对于SECE电路整体提升了23.02%。     

压电能量采集器高效能量提取接口电路设计

压电能量采集器能把环境振动能转换为电能,该文基于如何将压电能量采集器转化电能最大化提取的研究,提出了一种压电能量采集器高效能量提取接口电路,采用有源二极管整流电路降低了整流过程中的导通压降损耗,电感同步开关电荷提取电路有效提取了寄生电容中储存的电能。利用华虹宏力0.11 μm CMOS工艺进行电路设计和版图布局。测试结果表明,接口电路可提取80.4%寄生电容中存储的电能,20 kΩ电阻负载下导通压降为20.2 mV,在加速度5g(g=9.8 m/s2)和频率40 Hz条件下平均提取功率是标准接口电路的2.58倍。该芯片可应用于基于振动能供电的无线无源传感节点等领域。     

基于同步电荷提取的高效多压电能俘获电路设计

本文提出了一种基于同步电荷提取的高效多压电能俘获电路(High Efficiency Multi-piezoelectric Energy Harvesting Circuit Based on Synchronous Electric Charge Extraction,EM-SECE).所提出的电路利用改进的正负峰...     

压电能量收集接口电路的设计与仿真

为了给无线传感器网络节点提供稳定、高效且长期的能量供给,该文提出了一种基于增强型同步电荷提取电路的压电能量收集接口电路(ESECE)。利用Multisim电路仿真软件对增强型同步电荷提取电路进行仿真,并与标准压电能量收集接口电路(SHE)和同步电荷提取电路(SECE)进行对比分析。实验结果表明,在相同激励条件下,ESECE比SECE的输出功率提高了近30%,最大输出功率达到190μW,同时还保证了输出功率与负载电阻的无关性。     

微环音振荡压电发电机同步电荷能量采集方法

能量采集效率是引信微环音振荡压电发电机能否得到应用的关键之一。在经典能量采集电路和填谷能量采集电路的基础上,采用同步电荷能量采集法,基于脉冲宽度调制技术,设计了一种较高能量采集效率的同步电荷能量采集电路,由微动开关精确控制转移电能时间。理论分析和实验模拟的结果表明,开关精确控制转移电能时间的同步电荷能量采集电路,其输出功率最大且与负载无关,这将有利于微环音振荡压电发电机在不同型号引信中的应用。     

双谐振压电-摩擦复合式能量采集器设计及仿真

针对单一形压电能量采集器在宽频带振动环境中能量采集效率低以及复合能量采集器占用空间大的问题,设计了一种空间复用双谐振压电-摩擦复合式的振动能量采集器。该能量采集器为双悬臂梁结构,上部悬臂梁使用压电材料发电,下部悬臂梁表面粘贴聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜,振动过程中上部悬臂梁与PDMS产生摩擦发电,实现了压电和摩擦两种方式复合发电,有效利用空间并拓宽了采集带宽。利用COMSOL软件对不同频率的应力与位移进行分析,验证结构可行性,并对电学输出特性进行仿真。制备该采集器进行试验,结果表明,激励频率为7 Hz时,其摩擦电压输出最大达1.40 V;激励频率为63 Hz时,压电和摩擦电压输出最大分别达7.70 V 和11.81 V,验证了理论及仿真的正确性。     

并联电感同步开关压电能量采集电路研究

介绍了基于压电效应的标准能量采集电路,在此基础上设计了并联电感同步开关能量采集电路,通过理论分析和计算,建立了该电路的输出功率数学模型.通过ANSYS压电耦合分析及MULTISIM(电路仿真软件)电路仿真,得到并联电感同步开关能最采集电路比标准能量采集电路的输出电压高出1倍,输出功率高出400％.     

基于压电振子的振动能量捕获行为研究

压电振子是实现振动能量捕获的重要基础,它的结构参数对其发电量和固有频率产生直接影响,需要进行优化设计.该文针对悬臂梁压电振子结构,采用ANSYS有限元建模方法,进行了静力学及模态仿真分析.研究了压电振子的各参数和质量块对其发电量、固有频率的影响规律,设计并搭建了实验台进行实验研究.实验结果验证了仿真分析的正确性,为压电振子的优化设计提供了依据.     

基于多模态扩频理论的压电振动能量采集系统

以同时提升多模态采集和增加带宽为研究方向,结合多模态扩频理论,建立了一套多模态宽频且能多方向工作的压电振动能量采集系统。该系统包含能量采集器和电源管理电路两个模块。其中,采集器包括4种谐振频率,组成了较宽的工作频带,保证了该采集器在低频振动工作环境下高效率地收集振动能量;电源管理电路将采集到的交流电转换为稳定的直流电,再对电容或电池等储能元件充电以供微电子器件使用。经过模态和谐响应分析后,搭建了实验平台并对采集系统进行实验测试。实验结果表明,在加速度6 m/s²简谐力激励下,工作频带为16.1～27.8 Hz,输出电压最高可达35.75 V,阻抗匹配后最优阻值为200 kΩ,此时输出功率为115.85μW。     

一种基于梯形压电悬臂梁的能量采集器研究

提出了一种基于d33模式的梯形压电悬臂梁式能量采集器.采用梯形悬臂梁结构能提高能量采集器的平均应力和降低其最大应力,增加其输出电压和使用寿命;同时由于压电材料的d33系数一般是d31系数的2～3倍,利用d33模式同样能提高能量采集器的输出电压.分析和制备了同尺寸的d31模式和d33模式两种能量采集器,并进行测试.实验结果表明,d33模式能量采集器的输出电压约是d31模式的2倍,具有较高输出电压,与有限元分析结果基本一致.     

一种基于防震锤的新型压电复合能量收集方法

为了解决智能电网环境下输电线有害振动与工况检测传感器的供电及续航问题,该文设计了一种压电式振动与磁场复合能量收集的防震锤。防震锤的主压电梁收集输电线振动能量,副压电梁通过安装磁铁收集输电线电流产生的变化磁场能量,摆脱了传统收集磁场能量时线圈的使用。对收集器进行有限元仿真分析与实验测试。结果表明,收集器工作频带更宽,比传统的单梁输出高54%,主压电悬臂梁最大输出功率可达到874 μW,副压电梁最大功率可达到683 μW。     

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。     

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。     

基于分块压电悬臂梁的压电地板单元研制

为了提高压电地板的发电功率,将压电圆盘或正方形压电结构分块成悬臂梁。有限元静态分析表明,当承重和材料体积相近时,三角形分块的输出功率分别是方形分块和压电圆盘的20倍、7倍;对比分析了顶角为60°、90°、120°的三角形悬臂梁压电地板单元的发电性能,发现减薄压电片和基板厚度使踩踏位移相同时,3种压电地板单元的输出功率相同;若压电片和基板厚度相同,顶角为60°的三角形分块压电地板单元输出功率最大。用6个60°三角形压电悬臂梁制作压电地板单元,以手按压,可轮流点亮两个发光二极管。     

悬臂梁能量回收装置压电片位置与尺寸优化研究

研究了悬臂梁式压电振动能量回收装置压电片贴片位置和尺寸优化问题。首先分析推导出了应变方程、开路电压方程和压电能量方程,然后提出了运用开路电压和压电能量方程得到压电片的最优贴片位置和最优尺寸的优化方法,最后运用提出的优化方法通过理论计算得到了一、二阶模态下压电片最优贴片位置及最优尺寸,并运用abaqus软件进行了仿真分析。结果表明,理论计算与仿真分析结果基本吻合,一、二阶模态下压电片最优位置分别为梁的根部和中部,最优尺寸均约为梁长的一半。说明提出的压电片位置和尺寸优化方法是正确有效的。     

压电电磁复合式振动能量采集器模型的研究

针对目前单一化的压电式或电磁式机械振动能量采集装置最大输出功率较低的问题,设计了一种新型的压电电磁复合式能量采集器。通过对复合式能量采集器建立数学模型,推导出了电压、电流及输出功率的表达式。然后对复合式能量采集器的输出功率特性进行数值仿真,并设置压电片内阻值及其他参数条件,对比分析复合式能量采集器模型与单一的压电式或电磁式能量采集器模型,理论上输出功率提高了38.2%和4.74%。最后通过对采用悬臂梁结构的振动能量采集器的具体实验数据进行分析,论证了压电电磁复合式能量采集器输出功率的高效性。     

压电能量收集中储能器件的研究

目前压电振动能量收集成为微能量领域的研究热点.由于收集的能量较小,因此需要储能器件把收集的能量存储起来以便为电子元件供电.比较了常用的储能器件,包括电阻、电解电容器、超级电容器和可充电电池.研究了这些器件的充放电特性和应用状况,比较了这些器件的优缺点,结果发现,超级电容器可在低压状态下为电子元件有效供电,适合在压电能量收集中推广应用.