● 摘要
采用自供电技术，把环境中杂散能源转换成电能，供给传感器节点使用，是解决结构健康监测传感器网络节点供电问题研究热点之一。本论文中通过设计压电振动俘能器，采集环境中振动能量，对节点自供电技术进行了初步研究。本论文完成的工作和取得的成果主要有：1、分析了俘能技术的现有研究成果、技术特点和发展趋势，结合结构健康监测特点和传感器节点供电需求，制定了基于弹性梁结构压电振动俘能的自供电技术实现方案。2、设计了等截面梁振动俘能结构，基于等效系统建立了梁式振动俘能器等效模型和修正模型、带负载时的输出模型和俘能器机电能量转换的耦合模型。之后在分析和总结了简单等截面梁结构俘能器特性与不足的基础上，提出了四边梁结构的压电振动俘能器方案。通过仿真，分析了四边梁俘能器具有的优势。3、通过仿真分析的方法研究了梁结构参量变化时对俘能器谐振频率的影响，总结出调整谐振频率方法和设计原则。4、设计了输出端自适应整流电路，通过在电路中引入DC/DC控制器，实现面向负载的自适应整流方法。对电路进行了深入分析，并通过实验的方法测试了电路效率。5、制作了两种结构的压电振动俘能器原理样机，采用实验测试的方法，对俘能器的机械性能进行测试，并与仿真结果相比较，指出两者存在偏差的原因。进行了能量采集实验，通过实验结果计算俘能器输出功率。论文既对压电振动俘能器理论进行了深入分析，又对俘能器特性进行了仿真研究。之后又通过实物制作对俘能器能量管理电路和俘能器原理样机进行了实验测试，为进一步研究基于压电振动俘能器的自供电技术奠定基础。