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