【摘 要】
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随着微机电系统和高集成数字设备的快速发展和日趋成熟,体积小、功耗低和成本低的传感器得以实现并迅速普及。而这些传感器所使用的传统化学电池存在寿命短、体积较大和可靠
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随着微机电系统和高集成数字设备的快速发展和日趋成熟,体积小、功耗低和成本低的传感器得以实现并迅速普及。而这些传感器所使用的传统化学电池存在寿命短、体积较大和可靠性较低等致命问题,使得能从环境振动中直接俘获能量的压电俘能器成为近年来研究的热点。本文将压电俘能器分为压电俘能单元、俘能电路和储能单元,并从理论计算、仿真分析和试验测试等方面对悬臂梁式压电俘能器的各个组成单元进行了研究。通过压电俘能单元的输出特性与结构参数的理论关系,从压电陶瓷层的厚度和悬臂梁的表面形状两个方面对压电俘能单元的结构进行了结构优化设计。再从压电材料疲劳角度,分析了压电陶瓷的疲劳与压电俘能单元的振幅之间的理论关系,进一步对压电俘能单元结构的可靠性进行了优化设计。俘能电路的整流稳压处理使得压电俘能单元的输出能给储能单元充电和能给MEMS传感器供电,是压电俘能器中一个非常重要的组成单元。本文设计的基于LTC3588芯片的俘能电路,能实现高效率的整流和输出稳定的直流电压。在储能单元方面,对比分析了超级电容和锂离子电池的充电特性,并用压电俘能器样机分别对它们进行了充电试验。最后,本文还设计了用压电俘能器样机给低功耗蓝牙供电试验,用于验证压电俘能器的可行性。得到结论如下:结构设计方面。压电陶瓷层存在两个最优厚度,一个使得压电俘能单元的输出电压最大,另一个使得压电俘能单元的输出功率最大;悬臂梁表面形状为三角形时的输出电压最大,梯度越大的梯形梁输出电压越大;压电陶瓷的疲劳裂纹不扩展的临界振幅与外加电场为1.5倍矫顽电场所等效的振幅相等,压电俘能单元的振幅越大,压电陶瓷的疲劳裂纹扩展速度越快。电路设计方面。基于LTC3588芯片的俘能电路能输出稳定的直流电压,并通过试验进行了验证;超级电容经过100分钟就能充满总容量的95%,锂离子电池充满需要3个小时以上;压电俘能器样机使得低功耗蓝牙模块的工作时间得到了延长,证明了压电俘能器是有实用价值的。
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