自调谐多方向压电振动能量收集方法及性能优化研究

从环境振动中收集能量可为许多小型的自治型设备如无线传感网络中的节点、MEMS电子设备等实现能量自给，免除用电池供电带来的一系列问题。但目前的振动能量收集方法只能采集单方向的振动能量、能量收集效率受外界振动频率影响较大，限制了它的实际应用。针对这些问题，本项目提出一种特殊的立方体－球能量收集结构，它具有自调谐功能，并且可将不同方向的振动能量耦合到压电复合材料能量转换元件中，以实现全方向的振动能量收集。拟探索一种Rainbow型双层预弯曲PVDF复合换能结构，使其具有自动调节系统谐振频率，以匹配环境振动频率的功能，保证较高的能量采集效率；提出一种多源异相充电控制策略，对充电进行协调控制，从而提高充电效率；通过对能量采集系统结构、动力学和电学等参数的分析和优化，提高总体的能量采集和转换效率。最终获得对环境振动具有广泛适应性的多方向振动能量收集方法和设计准则。

从环境振动中收集能量可为许多微小型电子设备如无线传感网节点等实现能量自给，免除用电池供电带来的一系列问题。但目前的振动能量收集方法只能采集单方向的振动能量、能量收集效率受外界振动频率影响较大，限制了它的实际应用。针对这些问题，本项目提出两种特殊能量收集结构，并具自调谐功能，可实现不同方向振动能量收集以及环境频率自适应。.已完成全部计划任务。除此之外：(1)提出一种新的蒲公英状能量采集结构，并进行了相应分析和试验，(2)提出褶皱形能量转换元件结构。主要研究工作如下.(1)提出了两种新颖的多方向压电振动能量收集装置，分别为立方体-球结构和蒲公英结构。具有全方向振动能量采集的能力，使在不同环境下的振动能量能够得到有效采集，同时使用者不必考虑具体的应用环境和安装方式。.（2）提出了一种全新的Rainbow型压电换能结构，该换能结构在受迫振动中可以收集较多的能量，完全可以用于环境振动能量的收集。在此基础上提出了褶皱型压电能量转换结构。.（3）研究了单电荷源能量采集电路，提出一种改进的无源同步电荷提取电路，输出比经典电路提高了2.98倍，且无最优负载问题。提出一种SSHI-CDR电路，输出功率比经典电路大幅提高，电路本身实现能量自给。.（4）针对多源异相交变电荷源，分别提出基于二极管单向导电、基于同步开关电路和基于SSHI-MR电路的多源异相充电电路。所研究电路能有效采集多个不同相位、不同幅值的电荷源输出的电能，实现了多电荷源下的充电控制。.（5）针对压电发电结构工作在共振状态输出功率最高的特点，提出了一种自适应频率调谐策略，以调节能量采集结构的共振频率。通过改变调频系数，结构固有频率相对变化率可以达到5.1%。.（6）根据多方向振动能量收集的需要，设计并制作了多方向振动模拟实验平台。该振动模拟平台可以实现多个不同方向环境振动的模拟。.（7）为了分析各种振动环境特点，设计一种便携式振动信号测试分析系统，使振动的测试和分析变得非常方便。.（8）设计一种基于振动能量采集的低功耗无线传感节点，能初步实现数据采集与传输。