振动式压电微型发电机及其在机械故障监测系统中的应用

论文摘要

MEMS微电源是MEMS技术领域的重要研究方向之一,如何将外部环境能转变成电能的MEMS微型发电机是MEMS微电源近年的研究热点,论文在国家“863”微型机电系统（MEMS）重大专资助下,提出进行基于MEMS技术的振动式压电微型发电机的研究,以期进行该系统在机械故障监测系统中的应用探索,具有重要的科学意义和实际应用需求。论文在分析研究振动式微型发电机的国内外发展现状的基础上,进行了振动式压电微型发电机的相关理论和关键加工技术的研究;针对机械故障振动监测系统无线发射模块的能量需求和工作特点,研制了电源管理电路;完成了在机械故障振动监测系统中的应用演示实验。论文主要研究工作是:①在查阅大量文献的基础上,分析了微型振动式发电机的国内外发展现状,研究了振动式压电微型发电机系统的结构和工作原理,提出了振动式压电微型发电机系统的方案;②分析研究了振动式压电微型发电机的理论模型—Roundy模型,进行了振动式压电微型发电机的结构设计,探索了扩大振动式微型发电机频带宽度的方法;③研究了振动式压电微型发电机的关键加工技术,成功地研制出振动式压电微型发电机原理样机,通过测试工作频率为25-400Hz ,输出电压为3.2-17.5V,输出功率为97.5-673.7μW ;④根据机械故障振动监测系统无线发射模块的能量需求和工作特点,设计并制作出新型电源管理电路,配合振动式压电微型发电机的使用,为无线发射模块供电;⑤进行了振动式压电微型发电机系统在机械故障振动监测系统中的应用研究。采用振动式压电微型发电机组（四个）和电源管理电路系统,在长江中运行的“长华7号滚装船”上进行了机械故障监测系统的应用实验,满足了应用要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 振动式微型发电机的研究现状
• 1.2.1 振动式压电微型发电机
• 1.2.2 振动式静电微型发电机
• 1.2.3 振动式电磁微型发电机
• 1.3 本文研究目的及研究内容
• 1.4 本章小结
• 2 振动式压电微型发电机的理论模型与结构设计
• 2.1 引言
• 2.2 振动式压电微型发电机系统的总体方案
• 2.3 振动式压电微型发电机理论模型
• 2.3.1 Roundy 模型
• 2.3.2 对Roundy 模型的修正
• 2.3.3 模型的验证
• 2.4 振动式压电微型发电机的结构设计
• 2.5 扩大振动式微型发电机频带宽度的方法
• 2.6 本章小结
• 3 振动式压电微型发电机的制备与性能测试
• 3.1 引言
• 3.2 振动式压电微型发电机的制备
• 3.2.1 工艺流程
• 3.2.2 制备流程
• 3.2.3 封装技术
• 3.3 振动式压电微型发电机性能测试
• 3.3.1 测试系统和测试方法
• 3.3.2 测试结果及分析
• 3.4 本章小结
• 4 振动式微型发电机电源管理电路
• 4.1 引言
• 4.2 电源管理电路的整体分析与设计
• 4.2.1 机械故障振动监测系统的性能指标
• 4.2.2 电源管理电路的整体分析与设计
• 4.3 各模块电路的设计
• 4.3.1 储能器
• 4.3.2 整流电路
• 4.3.3 滤波电路
• 4.3.4 稳压电路
• 4.3.5 开关控制电路
• 4.3.6 MOS 开关
• 4.3.7 补充回路
• 4.4 电源管理电路的参数优化与模拟
• 4.4.1 电路参数优化
• 4.4.2 电路的模拟
• 4.5 电源管理电路的初步调试
• 4.5.1 PCB 版和实物封装电路
• 4.5.2 电路功能的验证
• 4.6 本章小结
• 5 振动式压电微型发电机在机械故障振动监测系统中的应用
• 5.1 引言
• 5.2 机械故障振动监测系统的需求分析
• 5.3 实验及结果分析
• 5.3.1 实验室模拟实验
• 5.3.2 现场应用演示实验
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 存在的问题及下一步工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录