本文關鍵詞：基于壓電復合材料的振動能量采集裝置的研究

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【摘要】：壓電振動能量收集器因其結構簡單、易于加工、無污染等優(yōu)點而被廣泛應用于電池更換維修困難、環(huán)境惡劣、功耗需求低等場合。壓電振動能量收集結構主要是利用壓電材料的壓電效應來俘獲環(huán)境中的能量,本文即是以壓電復合材料為基礎,設計了振動能量收集結構并研究了其參數(shù)優(yōu)化問題。具體研究內容如下。首先,本文基于成膜-拉伸-極化制作工藝制作了聚偏二氟乙烯(PVDF)壓電薄膜,分析了該工藝中可能影響壓電性能的因素,研究了壓電薄膜寬度與其輸出電壓的關系,以及納米纖維材料對其壓電性能的影響。其次,基于壓電懸臂梁的機電耦合系數(shù)正比于懸臂梁發(fā)電部位始末處振型斜率差的理論,改進了傳統(tǒng)的懸臂梁結構,并建立方程對改進結構的振型進行了理論計算和分析。理論分析表明,與傳統(tǒng)結構相比,該改進結構的懸臂梁發(fā)電部位始末處振型斜率差確實得到了提高,并通過實驗驗證了該改進方法的正確性。最后,基于改進的懸臂梁結構,設計了一種收集地基振動能的能量收集結構,采用質量-彈簧-阻尼系統(tǒng)建立了與其對應的理論模型,并對該理論模型進行了參數(shù)優(yōu)化分析。分析結果表明,為了獲得較高的輸出功率,支撐桿應該選用剛度大、質量輕的材質,并使得懸臂梁的剛度約為支撐桿剛度的0.15倍。
【關鍵詞】：能量收集 壓電效應 壓電材料 PVDF
【學位授予單位】：西南科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB33;TB535
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 緒論9-22
• 1.1 課題背景與意義9-10
• 1.2 小能量收集概述10-13
• 1.2.1 小能量收集定義10-11
• 1.2.2 可用能量源11-12
• 1.2.3 振動能-電能轉換機理12-13
• 1.3 壓電振動能量收集技術國內外研究現(xiàn)狀13-20
• 1.3.1 壓電材料研究現(xiàn)狀13-15
• 1.3.2 振動能量收集結構研究現(xiàn)狀15-18
• 1.3.3 能量收集電路研究現(xiàn)狀18-20
• 1.4 本文研究目內容及論文結構20-21
• 1.4.1 研究內容20
• 1.4.2 論文結構20-21
• 1.5 本章小結21-22
• 2 PVDF壓電薄膜制備流程22-36
• 2.1 引言22-26
• 2.1.1 PVDF簡介22-24
• 2.1.2 β型PVDF壓電薄膜制備方法簡介24-25
• 2.1.3 本文制備流程簡介25-26
• 2.1.4 實驗材料與所需設備26
• 2.2 PVDF初始膜制備26-29
• 2.2.1 制備流程26-27
• 2.2.2 實驗操作過程27-29
• 2.2.3 注意事項29
• 2.3 高溫單軸拉伸29-31
• 2.3.1 拉伸目的29-30
• 2.3.2 拉伸過程30-31
• 2.3.3 拉伸工藝關鍵點31
• 2.4 常溫分步極化處理31-34
• 2.4.1 極化原理與目的31-32
• 2.4.2 極化過程32-33
• 2.4.3 注意事項33-34
• 2.5 電極制作34-35
• 2.6 本章小結35-36
• 3 PVDF壓電薄膜壓電性能測試與研究36-43
• 3.1 PVDF的壓電性36
• 3.2 測試原理與測試系統(tǒng)搭建36-38
• 3.2.1 測試原理36-37
• 3.2.2 測試系統(tǒng)搭建37-38
• 3.3 輸出電壓測量38-40
• 3.3.1 輸出電壓與壓電薄膜面積關系38-40
• 3.3.2 納米Si O2纖維材料對輸出電壓的影響40
• 3.4 PVDF壓電薄膜表征40-42
• 3.4.1 XRD分析40-42
• 3.4.2 SEM分析42
• 3.5 本章小結42-43
• 4 壓電懸臂梁結構理論分析43-56
• 4.1 壓電懸臂梁簡介43-44
• 4.2 壓電懸臂梁理論分析44-49
• 4.2.1 建模方法簡介44-46
• 4.2.2 無阻尼自由振動模態(tài)分析46-48
• 4.2.3 機電耦合模型分析48-49
• 4.3 改進懸臂梁結構49-55
• 4.3.1 改進結構49-50
• 4.3.2 方程建立50-53
• 4.3.3 Matlab振型求解53-55
• 4.4 本章小結55-56
• 5 改進懸臂梁結構能量收集實驗56-62
• 5.1 測試方法56
• 5.2 實驗測試過程56-59
• 5.2.1 壓電材料與測試設備56-58
• 5.2.2 壓電振子制作58-59
• 5.2.3 實驗過程59
• 5.3 實驗結果處理與分析59-61
• 5.4 本章小結61-62
• 6 振動能量收集裝置62-70
• 6.1 理論模型62-63
• 6.2 方程建立及求解63-65
• 6.2.1 方程建立63-64
• 6.2.2 Matlab求解64-65
• 6.3 參數(shù)分析65-69
• 6.3.1 質量塊M1的影響65-66
• 6.3.2 質量塊M2的影響66
• 6.3.3 彈簧K1的影響66-67
• 6.3.4 彈簧K2的影響67-69
• 6.4 本章小結69-70
• 結論70-71
• 致謝71-72
• 參考文獻72-77
• 附錄77-82
• 攻讀碩士期間的學術論文及研究成果82

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