面向车载传感器的压电式振动能量收集系统研究

摘要

汽车上有各种传感器用来专门检测温度、压力、速度和位置等，如在倒车雷达中利用超声波传感器进行测距来保证汽车安全。通常这些传感器由汽车车载电池通过电线连接进行供能。然而，随着汽车技术的发展，越来越多的传感器安装在汽车上，线路连接变得越来越复杂、维修变得很麻烦。此外，有一些嵌入式的传感器不能利用车载电池通过供电线来连接，如胎压监测传感器。因此，利用环境能量为这些分布式或嵌入式无线传感器供能引起了研究人员的兴趣。它不但可以减少安装维修带来的麻烦，而且还可以将原来被浪费掉的环境能量有效利用起来。考虑到车辆行驶中伴随产生的环境能量，振动能量是最突出的。采集环境振动能量的方法中压电换能由于高效、低成本、结构简单等优点被广泛采用。
　　本文结合压电发电系统与汽车振动系统，利用压电材料对汽车行驶中的振动能量进行采集，就地取材得为汽车上的传感器提供电源。本文的主要研究内容有:第一，建立汽车振动系统的数学模型，通过MATLAB\SIMULINK仿真分析汽车行驶过程中不同路面、速度下由于路面不平度而产生的振动响应，实验验证了汽车振动系统的数学模型和仿真结果;第二，基于汽车在行驶过程中的振动特性设计压电能量收集装置;通过实验得到压电能量收集装置的输出电压及功率。实验表明压电能量收集装置收集的汽车振动能量在一些路面环境下能够为传感器供能，同时提出对压电能量收集装置进一步优化的措施，以得到更高的能量收集功率。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 背景

1．2 压电发电技术国内外研究现状

1．3 本文研究的主要内容

第二章 压电理论基础及压电振子仿真分析

2．1 压电理论基础

2．1．1 压电效应与压电方程

2．1．2 压电材料

2．1．3 压电振子的连接、支撑方式

2．1．4 悬臂梁式压电振子数学模型

2．2 压电振子仿真分析

2．2．1 有限元理论

2．2．2 ANSYS有限元分析

2．2．3 ANSYS压电耦合场分析

2．2．4 ANSYS有限元分析步骤

2．2．5 压电材料参数设定

2．2．6 建立压电悬臂梁模型

2．2．7 压电悬臂梁分析结果

第三章 汽车振动分析及Simulink仿真分析

3．1 汽车振动分析

3．1．1 平稳路面下的汽车振动分析

3．1．2 突发状态下汽车振动分析

3．2 汽车振动Mat lab／Simulink仿真分析

3．2．1 汽车振动系统模型仿真

3．2．2 路面不平度功率谱密度

3．2．3 其他参数的选取

3．2．4 振动仿真结果

第四章 汽车振动实验及分析

4．1 车内振动测试

4．1．1 实验硬件选择

4．1．2 实验结果

4．2 能量收集及其结果

4．2．1 能量收集实验

4．2．2 实验结果

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

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