冲击能量的非线性收集机理及持续微能供电技术研究

研究瞬时冲击能量的非线性收集机理并发展微能持久供电技术。冲击能量收集器拟利用钹式压电换能器将瞬时性冲击能量转换为脉冲与振动能量，利用非线性自激电路延时收集并存储电能。首先通过冲击能量特征和换能器特性分析，获得冲击能量转换系统的振动特性；之后构造非线性电路，并结合换能器振动系统的等效电路，建立收集器系统机电耦合非线性动力学模型；由非线性分析和中心流形定理，调整电路与换能器参数使非线性系统产生双零特征根或多对纯虚根退化条件，利用其Hopf分叉特性获得极限环振荡电路并使收集器系统处于自维持振荡状态；利用振荡电路的储能性质，通过重新分布冲击能量，获得冲击能量的延时维持、多途径收集能量、延时存储、延时输出及输出整流等非线性收集机理。以此建立能量收集器非线性理论并推广至振动能量收集情形。最后以弹药引信实时供电为案例，进行实验验证，开发满足微电子与信息技术的实时、持久微能供电电源，有重要理论与应用价值。

项目主要研究冲击能量的压电收集机理并发展微能持久供电技术。内容涵盖了压电换能器机电耦合特性、能量收集电路设计、多模态能量收集装置设计与制作等问题，具体研究内容及结果包括：（1）研究了压电结构冲击能量及冲击能量的转换特性，分析了振动参数对机电转换效率、品质因数、机电耦合系数的影响规律，确定了原始振动能量，持续振动时间等设计参数，获得了能量收集器可行性设计指标。（2）研究了不同结构形式的压电换能器机电耦合动力学特性，并设计制作了多组压电换能器。分别研究了钹式压电结构、压电晶堆、压电悬臂梁结构机电耦合模型及能量输出特性；提出了一种新型弯张换能器结构——欧米伽换能器，并提出了计算该型换能器共振频率的理论方法，利用有限元方法分析了该换能器频率特性与结构参数的关系。（3）研究了能量收集电路的输出特性并设计出一种含稳压芯片的能量收集电路。建立了含并联SSHI和串联SSHI两种电路形式的能量收集系统机电耦合模型，分析了机电耦合因子和频率对系统输出性能和能量输出效率的影响规律；设计了一种采用TPS5430稳压芯片的能量收集电路，利用Tina pro软件分析了该电路的输出性能，制作了电路模块。（4）设计制作了一种基于冲击能量收集技术的引信压电电源原理样机，并开展了冲击试验研究。设计制作了4套采用附加谐振结构的能量收集样机，并利用Lagrangian方程研究了该结构的机电耦合特性；通过冲击试验获得了样机输出电压和功率等指标随换能器结构形式、弹簧刚度以及负载电阻等参数的变化规律。项目研究成果丰富和发展了压电换能器的设计理论，设计制作的弹药引信用压电电源原理样机，对开发满足微电子与信息技术的实时、持久微能供电电源，有重要理论与应用价值。