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1 压电能量收集技术 1

1.1 能量收集技术基础 2

1.2 案例研究：压电片粘合于长悬臂梁，悬臂梁末端带有质量块 4

1.3 压电材料 6

1.3.1 压电多晶陶瓷 6

1.3.2 压电单晶材料 8

1.3.3 压电和电致伸缩聚合物 10

1.3.4 压电薄膜 11

1.4 压电换能器 12

1.5 介观-宏观尺度的能量收集器 14

1.5.1 激光微加工制备的机械能量收集器 14

1.5.2 使用压电纤维的机械能量收集器 16

1.6 微型压电发电器 17

1.6.1 压电微悬臂梁 17

1.7 能量收集电路 20

1.8 提高能量收集器性能的方法 21

1.8.1 多模式能量收集 21

1.8.2 磁电复合物 24

1.8.3 自调谐 25

1.8.4 频率泵浦 26

1.8.5 宽带换能器 26

1.9 应用举例 27

1.9.1 边境安全检测传感器 27

1.9.2 生物医学应用 29

1.10 总结 29

参考文献 30

2 悬臂梁式压电能量收集器的机电模型 34

2.1 引言 34

2.2 集总参数模型的幅值修正 36

2.2.1 非耦合集总参数基座激励模型 37

2.2.2 非耦合分布参数基座激励模型 38

2.2.3 集总参数模型的修正因子 41

2.2.4 压电耦合集总参数方程中的修正因子 45

2.3 耦合分布参数模型与封闭解 46

2.3.1 模型假设 46

2.3.2 数学基础 46

2.3.3 压电单晶片结构 49

2.3.4 压电双晶片结构 52

2.3.5 单模机电方程 54

2.3.6 实验验证 56

参考文献 62

3 振动式压电能量收集器的性能计算 65

3.1 引言 65

3.1.1 宏观压电发电器 67

3.1.2 微型压电发电器 68

3.1.3 转换效率和电致阻尼 68

3.1.4 能量存储电路 69

3.2 方法 70

3.2.1 标准AC-DC收集电路 70

3.2.2 SSHI收集电路 74

3.3 结果 76

3.3.1 标准接口电路 76

3.3.2 SSHI接口电路 80

3.4 总结 84

参考文献 84

4 压电等效电路模型 91

4.1 基于模型的设计过程 91

4.1.1 压电发电器的基本结构 91

4.2 压电材料的线性本构方程 92

4.3 固定边界条件下系统的压电等效电路模型 93

4.3.1 准静态特性 93

4.3.2 动态特性的单自由度模型 94

4.3.3 动态特性的多自由度模型 96

4.3.4 实验参数确定 96

4.3.5 案例研究 98

4.4 解析法确定等效电路模型参数 99

4.4.1 解析法建立压电双晶片模型的一般步骤 99

4.4.2 利用解析模型确定压电等效电路的模型参数 101

4.5 基座激励压电系统的等效电路模型 102

4.6 利用压电等效电路模型对整个PEG系统进行分析 103

4.6.1 带有负载电阻的压电等效电路模型 103

4.6.2 最大输出功率分析 103

4.6.3 基座激励下压电等效电路模型的实验验证 105

4.6.4 几何效应 106

4.6.5 PEG与激励源耦合模型，多自由度问题 107

4.7 总结 108

参考文献 108

5 电磁能量收集技术 110

5.1 引言 110

5.2 基本原理 111

5.3 绕线线圈的特性 112

5.4 微加工线圈 114

5.5 磁性材料 115

5.6 振动式电磁发电器的按比例缩小 117

5.7 电磁阻尼按比例缩小 120

5.8 电磁发电器功率优化 122

5.9 现有器件综述 122

5.10 微型器件 123

5.11 宏观器件 127

5.12 商用器件 129

5.13 总结 132

参考文献 133

6 利用压电叠层结构的振动能量收集器优化 136

6.1 引言 137

6.2 一维机电解析模型 139

6.3 功率优化 142

6.4 并联RL电路的优化 143

6.4.1 纯电阻电路 145

6.4.2 并联RL电路 152

6.5 串联RL电路 156

6.5.1 串联RL电路的优化结果 157

6.6 总结 159

参考文献 160

7 无线传感器的能量收集 162

7.1 引言 162

7.2 背景 162

7.3 利用能量收集无线传感器跟踪直升机部件的载荷 163

7.4 利用太阳能无线传感器监测大跨度桥梁 170

7.5 关于MicroStrain公司 172

参考文献 172

8 利用非线性技术的能量收集 174

8.1 引言 174

8.2 非线性技术及其在振动控制方面的应用 175

8.2.1 基本原理 175

8.3 稳态条件下用于能量收集的非线性技术 183

8.3.1 技术原理 184

8.3.2 无阻尼振动分析 185

8.3.3 阻尼效应 188

8.3.4 实验验证 193

8.4 脉冲工作方式的能量收集 195

8.4.1 SSHI技术 195

8.4.2 性能比较 200

8.4.3 实验验证 201

8.5 其他非线性能量收集技术 203

8.5.1 串联SSHI技术 203

8.5.2 考虑阻尼效应的理论分析 206

8.5.3 同步电荷提取（SECE）技术 208

8.5.4 实验验证 212

8. 6宽带激励下的能量收集技术 215

8.6.1 多模振动 216

8.6.2 随机振动 216

8.7 总结 217

参考文献 218

9 无线传感器网络中的能源 220

9.1 引言 220

9.2 化学电池 223

9.3 能量收集 224

9.3.1 能量收集和能量提取 225

9.3.2 光伏方法 225

9.3.3 振动方法 227

9.3.4 热电方法 229

9.4 其他方法 231

9.4.1 射频功率 231

9.4.2 放射源 231

9.5 功率转换 231

9.6 能量存储 232

9.7 实例 232

9.7.1 矿井用传感器 232

9.7.2 工业用传感器 232

9.7.3 自然监测用传感器 233

9.8 总结 234

参考文献 234

10 能量收集器中的微电子电路 237

10.1 收集源 238

10.1.1 能量和功率 238

10.1.2 能量源 239

10.2 功率调理 241

10.2.1 微系统 242

10.2.2 线性DC-DC转换器 243

10.2.3 开关DC-DC转换器 244

10.2.4 开关AC-DC转换器 250

10.2.5 基本特性比较 251

10.3 功率损耗 252

10.3.1 导电损耗 253

10.3.2 开关损耗 257

10.3.3 静态损耗 259

10.3.4 负载损耗 259

10.4 系统实例：静电收集器 261

10.4.1 收集电流 261

10.4.2 涓流充电结构 261

10.4.3 微电子收集电路 263

10.5 总结 266

11 热电能量收集技术 267

11.1 热量收集 267

11.2 热电发电器 267

11.3 热电能量收集器的设计 269

11.4 基本考虑 269

11.5 热电效率 270

11.6 匹配热阻 270

11.7 热流 272

11.8 热电发电器与换热器的匹配 272

11.8.1 薄膜器件 274

11.9 其他问题 274

11.10 总结 275

参考文献 275

12 热电能量收集技术的优化 276

12.1 引言 276

12.2 基本热电理论 276

12.3 器件有效ZT值 279

12.4 系统级设计考虑 280

12.5 最大功率输出的系统优化 281

12.6 电压输出优化的设计考虑 283

12.7 总结 286

参考文献 286

13 薄膜电池 288

13.1 引言 288

13.2 薄膜电池的结构、材料与制造 289

13.3 薄膜电池的性能 290

13.3.1 能量与功率 290

13.3.2 充电特性 292

13.3.3 循环寿命和储存寿命 293

13.3.4 高温和低温特性 294

13.4 总结与展望 294

参考文献 294

14 高能量密度电池材料 296

14.1 引言 296

14.2 锂离子电池的原理 297

14.3 阴极材料 299

14.3.1 层状氧化物阴极材料 300

14.3.2 尖晶石型氧化物阴极材料 303

14.3.3 橄榄石型氧化物阴极材料 305

14.4 阳极材料 307

14.5 总结 309

参考文献 309

15 用于植入式医疗器件的肌肉动力压电发电器 313

15.1 引言 313

15.2 肌力驱动发电器 314

15.3 机电转换方法的选择 317

15.4 与发电器系统相关的压电材料性质 319

15.5 发电器输出功率的计算 321

15.6 初步应用实例 322

15.7 总结 324

参考文献 324

16 用于生物MEMS的压电能量收集 328

16.1 引言 328

16.2 用压电器件进行能量收集的一般描述 329

16.3 弯曲的单层压电膜 332

16.3.1 简支情况下压电材料局部覆盖的单层压电膜 337

16.3.2 固支情况下压电材料局部覆盖的单层压电膜 340

16.4 仿真结果与分析 346

16.5 总结 347

参考文献 348

17 利用背包带的压电能量收集 350

17.1 引言 350

17.2 能量收集系统的模型 354

17.2.1 压电背带的实验测试 356

17.2.2 结果和模型验证 360

17.2.3 背包功率计算 363

17.3 利用机械放大的压电叠层能量收集 365

17.3.1 能量收集系统的理论模型和实验验证 366

17.3.2 结果和模型验证 368

17.3.3 背包功率计算 371

17.4 结论 372

参考文献 373

18 用于有源射频传感器及识别标签的能量收集 374

18.1 引言 374

18.2 RFID标签 376

18.2.1 无源RFID 376

18.2.2 电池辅助的无源式（BAP）RFID 377

18.2.3 有源RFID 377

18.3 RFID工作原理和能量传输 378

18.4 电池寿命 380

18.5 RF传感器和ID标签的工作原理 381

18.6 能量收集的重要性 382

18.7 能量收集技术和相关的工作 383

18.8 能量收集设计 385

18.8.1 能量存储技术 385

18.8.2 能量需求和电源管理问题 386

18.8.3 振动能量收集 387

18.8.4 太阳能能量收集 391

18.9 相关的电路和系统 394

18.9.1 AC-DC整流器 394

18.9.2 DC-DC开关模式变换器 395

18.10 未来的发展方向 397

18.11 总结 398

参考文献 398

19 结构健康监测（SHM）无线传感器节点的供电 404

19.1 引言 404

19.2 SHM传感系统设计 405

19.3 当前的SHM传感器 405

19.4 与传感系统相关的能量优化方法 406

19.4.1 动态电压调节 408

19.4.2 动态功率管理 408

19.5 SHM能量收集技术应用 410

19.6 未来的需求和挑战 413

19.7 总结 414

参考文献 414

附录A 振动能量收集的相关标准 416

A.1 用于能量收集的振源 417

A.2 描述振源所需的参数 417

A.3 描述振动能量收集的理论模型 418

A.3.1 Williams-Yates模型 418

A.3.2 Erturk-Inman模型 418

A.4 振动能量收集器的表征 420

A.5 调理电路的表征 420

参考文献 420