【摘要】：磁控形狀記憶合金(Magnetically controlled Shape Memory Alloy,MSMA)是近年來新興的一種可應(yīng)用于能量采集領(lǐng)域的Ni-Mn-Ga合金智能材料,性能優(yōu)越,可以通過一定的采集裝置將環(huán)境中的振動能量轉(zhuǎn)換為電能,進(jìn)而通過電源管理電路實(shí)現(xiàn)為超低功耗負(fù)載供電。本文主要利用MSMA的優(yōu)良特性進(jìn)行振動能量采集和存儲技術(shù)的探索性研究,首先建立和仿真驗(yàn)證了MSMA振動換能系統(tǒng)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,在此基礎(chǔ)上改良并測試了一款新型MSMA振動能量采集器。然后針對采集器的輸出特性,設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證了三種不同的微電能采集和存儲電路方案。最后搭建系統(tǒng)測試平臺對最終方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。本文前三章主要在分析MSMA材料逆特性的基礎(chǔ)上,建立并用MATLAB軟件仿真驗(yàn)證了MSMA振動能量采集系統(tǒng)輸出感應(yīng)電壓的優(yōu)化模型,完成了采集器的優(yōu)化、仿真和性能測試。然后在第四章中研究了微電能采集和存儲的基礎(chǔ)電路,用Multisim軟件對所研究的一系列整流、升壓等基礎(chǔ)電路進(jìn)行仿真,并對仿真得到的曲線進(jìn)行對比分析,總結(jié)了微電能采集和存儲電路的難點(diǎn)和研究重點(diǎn)。第五章開始進(jìn)行芯片方案設(shè)計(jì),首先設(shè)計(jì)并仿真驗(yàn)證了基于LTC3526和MAX1811的有源采集與存儲管理電路,可以實(shí)現(xiàn)將采集的振動能量儲存于鋰電池中且存儲過程可控。然后設(shè)計(jì)并仿真驗(yàn)證了基于MSMA振動能量采集的傳感器節(jié)點(diǎn)有源供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)由采集器輸出和主電池兩個供電部分組成,實(shí)現(xiàn)了無縫切換且優(yōu)先啟動環(huán)境振動源,可以延長系統(tǒng)的供電壽命。在第六章中主要設(shè)計(jì)并測試了基于BQ25504的無源微電能采集與存儲管理電路和BL系列穩(wěn)壓輸出模塊,可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境振動能量的有效輸出,為超低功耗負(fù)載供電。
【學(xué)位授予單位】：沈陽航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG139.6;TP333
【圖文】：

圖 1.1 集成低頻電磁式 MEMS 能量采集器有正壓電效應(yīng)，壓電式能量采集方式的原理就是利用其現(xiàn)振動能量的轉(zhuǎn)換。在目前的研究文獻(xiàn)中，可以發(fā)現(xiàn)懸量采集方式的熱門結(jié)構(gòu)。由于壓電式能量采集器設(shè)計(jì)結(jié)深受國內(nèi)外研究工作者青睞。國外方面：2009 年，新加等人設(shè)計(jì)并制作了一種單晶片結(jié)構(gòu)的壓電式振動能量采物（macro—fiber compo- sites,MFC)，250mm x62mm x

沈陽航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文學(xué) Wang Lei 等人通過非結(jié)晶金屬玻璃[16-20]（Metglas 2605SC）設(shè)計(jì)制作了能量采集器，在頻率為 1100Hz 的振動條件下對該采集器進(jìn)行測試，結(jié)果率為 606μW/cm3。如圖 1.2 所示，磁致伸縮式振動能量采集器的優(yōu)點(diǎn)[2需外供電源；2.具有高磁極耦合能力；3.輸出功率密度較大；4.不存在去點(diǎn)主要是其結(jié)構(gòu)需要大量的線圈,體積較大難以與 MEMS 集成應(yīng)用。

圖 1.2 磁致伸縮振動能量采集器伴隨著振動能量采集方式研究范圍的不斷擴(kuò)大，很量采集器。例如：Khaligh A[25]等人在 2008 年設(shè)計(jì)采集器的拓?fù)浣Y(jié)枸（如圖 1.3 所示）。2008 美國授等人創(chuàng)新性地在磁致伸縮材料的基礎(chǔ)上加入壓D/PZT/Terfenol-D 的三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合振動能量采集度為 0.5gn 的激勵條件下實(shí)現(xiàn)輸出功率超過 10mW研究前景，但也存在著一些比較明顯的弊端[26-27]，，因此其基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論和技術(shù)方法還需要進(jìn)一步深

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本文編號：2757083