【摘要】：物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行需要依賴大量分布式的獨(dú)立電源來(lái)供電,這給物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。振動(dòng)能,作為一種最常見(jiàn)的分布式能源,以多種形式廣泛存在于自然界當(dāng)中。振動(dòng)能量收集技術(shù)能夠?qū)h(huán)境中的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成電能輸出和存儲(chǔ),為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供豐富的分布式能量來(lái)源。振動(dòng)能量收集器通常是基于諧振原理設(shè)計(jì)的,這要求結(jié)構(gòu)的諧振頻率必須與環(huán)境中振動(dòng)激勵(lì)的頻率相匹配。為了適應(yīng)自然環(huán)境中振動(dòng)激勵(lì)的低頻性和隨機(jī)性特點(diǎn),本文對(duì)現(xiàn)有的寬頻振動(dòng)能量收集方法進(jìn)行了分析總結(jié)和理論研究,并將其分為兩類,分別設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的新型振動(dòng)能量收集器來(lái)實(shí)現(xiàn)寬頻振動(dòng)能量收集。在此基礎(chǔ)上,本文還提出了一種新的寬頻振動(dòng)能量收集方法——多頻協(xié)同多穩(wěn)振動(dòng)法,這種方法吸收了現(xiàn)有兩種方法的優(yōu)點(diǎn),并彌補(bǔ)了兩種方法的先天缺陷,論文的主要工作和研究?jī)?nèi)容包括以下四個(gè)部分:(1)根據(jù)工作原理的不同,本文將寬頻振動(dòng)能量收集方法分為了兩大類:線性多頻共振法和非線性多穩(wěn)態(tài)法。本文對(duì)上述兩種方法進(jìn)行了物理建模、寬頻原理分析以及變參數(shù)研究。分析了這兩種方法各自存在的先天缺陷,并指出了現(xiàn)有的基于上述兩種方法所設(shè)計(jì)的寬頻振動(dòng)能量收集器所存在的問(wèn)題。對(duì)于線性多頻共振法,現(xiàn)有的能量收集器普遍存在的問(wèn)題是不同頻率的能量收集單元之間相互獨(dú)立,結(jié)構(gòu)利用率低,以及只能在特定方向上收集振動(dòng)能等問(wèn)題;對(duì)于非線性多穩(wěn)態(tài)法,其核心問(wèn)題是勢(shì)能壘的引入對(duì)低強(qiáng)度振動(dòng)能量收集有阻礙作用。(2)針對(duì)線性多頻共振法,本文設(shè)計(jì)了一種雙叉梁多模態(tài)振動(dòng)能量收集器來(lái)實(shí)現(xiàn)多方向?qū)掝l振動(dòng)能量收集。利用有限元仿真分析,研究了雙叉懸臂梁在低頻范圍內(nèi)的四階振動(dòng)模態(tài)和對(duì)應(yīng)的四階固有頻率,確定了不同振動(dòng)模態(tài)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)方向以及結(jié)構(gòu)的變形特征。實(shí)驗(yàn)中,在水平、豎直兩個(gè)方向的振動(dòng)激勵(lì)下,通過(guò)測(cè)量掃頻激勵(lì)下雙叉懸臂梁的動(dòng)態(tài)應(yīng)變,驗(yàn)證了仿真分析結(jié)果的正確性。通過(guò)與一根傳統(tǒng)的直懸臂梁進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了本文所提出的雙叉懸臂梁結(jié)構(gòu)在開(kāi)路輸出電壓、工作帶寬、輸出功率密度以及發(fā)電效率等多個(gè)方面的性能提升,并且證明了該結(jié)構(gòu)具有多方向振動(dòng)能量收集的功能。(3)針對(duì)非線性多穩(wěn)態(tài)法,本文設(shè)計(jì)了一種蹺蹺板式懸臂梁振動(dòng)能量收集器來(lái)實(shí)現(xiàn)低強(qiáng)度激勵(lì)條件下的雙穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)對(duì)這種蹺蹺板式懸臂梁結(jié)構(gòu)在非線性運(yùn)動(dòng)中的能量傳遞過(guò)程進(jìn)行分析計(jì)算,從理論上研究和論證了該結(jié)構(gòu)在雙穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中越過(guò)勢(shì)壘的機(jī)理。在實(shí)驗(yàn)中,將該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的雙穩(wěn)態(tài)懸臂梁結(jié)構(gòu)在相同的低強(qiáng)度振動(dòng)激勵(lì)下進(jìn)行對(duì)比,分別測(cè)量了二者的振動(dòng)位移、開(kāi)路輸出電壓以及輸出功率密度等,對(duì)該結(jié)構(gòu)的寬工作頻帶和易越過(guò)勢(shì)壘的特性進(jìn)行了驗(yàn)證。(4)在前兩種方法的基礎(chǔ)上,本文提出了一種新的寬頻振動(dòng)能量收集方法——多頻協(xié)同多穩(wěn)振動(dòng)法。利用這種方法將多個(gè)不同頻率的懸臂梁組成陣列,不同懸臂梁之間依靠自由端的永磁體實(shí)現(xiàn)相互排斥,實(shí)現(xiàn)了一種不同于現(xiàn)有多穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)的新的多穩(wěn)態(tài)物理現(xiàn)象——協(xié)同多穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)。論文利用磁偶極子模型對(duì)協(xié)同多穩(wěn)態(tài)懸臂梁之間的磁相互作用進(jìn)行了分析,并推導(dǎo)了協(xié)同多穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的勢(shì)能函數(shù)。通過(guò)對(duì)勢(shì)能函數(shù)和穩(wěn)態(tài)的分析,證明了協(xié)同多穩(wěn)態(tài)的存在,論證了協(xié)同多穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)條件以及協(xié)同多穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的最大穩(wěn)態(tài)個(gè)數(shù)隨懸臂梁數(shù)量的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)的新特性。通過(guò)與線性懸臂梁陣列在開(kāi)路輸出電壓、輸出功率密度以及發(fā)電量等多個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證了理論分析的正確性和多頻協(xié)同多穩(wěn)振動(dòng)法所帶來(lái)的寬頻特性。
【圖文】：

合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)術(shù)碩士研究生學(xué)位論文較高的輸出電壓和輸出功率[30]。圖 1.1（a）展示了一種最為經(jīng)典且最具代表性的振動(dòng)能量收集器——懸臂梁式壓電振動(dòng)能量收集器[31]。這種懸臂梁式振動(dòng)能量收集器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和工作原理簡(jiǎn)單，并且制造成本低廉。工作時(shí)，懸臂梁自由端的質(zhì)量塊在外部激勵(lì)所產(chǎn)生的慣性力的作用下帶動(dòng)懸臂梁振動(dòng)，，使懸臂梁發(fā)生往復(fù)彎曲變形。懸臂梁根部粘貼的壓電換能元件在交變應(yīng)力的作用下輸出電壓，從而將振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。

（a） （b）圖 1.2 單自由度彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)及其幅頻特性曲線：（a）物理模型；（b）幅頻特性曲線Figure 1.2 Single-degree-of-freedom spring-mass-damper system and its frequency responses: (a)physical model; (b) frequency responses對(duì)于常規(guī)的線性振動(dòng)能量收集器而言，只有當(dāng)外界振動(dòng)激勵(lì)的頻率 接近結(jié)構(gòu)的諧振頻率m 時(shí)，振動(dòng)機(jī)構(gòu)才會(huì)有較大的響應(yīng)振幅，裝置才能輸出足夠高的電壓到后續(xù)的能量收集電路當(dāng)中，能量收集器才能有效工作。如果外界激勵(lì)頻率 與結(jié)構(gòu)的諧振頻率 相差較大，振動(dòng)機(jī)構(gòu)的響應(yīng)振幅極小，在低強(qiáng)度激勵(lì)下甚至無(wú)有效的電壓輸出，能量收集器顯然無(wú)法正常工作，也就不能為低功耗的電子設(shè)備（如無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)）采能和供能。因此，對(duì)于傳統(tǒng)的單自由度線性振動(dòng)能量收集器而言，盡管其結(jié)構(gòu)和工作原理簡(jiǎn)單，但卻難以適應(yīng)自然環(huán)境中振動(dòng)激勵(lì)的低頻性和隨機(jī)性特點(diǎn)。為了拓寬振動(dòng)能量收集器的工作頻帶，提高低頻激勵(lì)下的能量收集效率，實(shí)現(xiàn)寬頻振動(dòng)能量收集，研究人員提出了多種設(shè)計(jì)思路，并且對(duì)寬頻振動(dòng)能量收集方法進(jìn)行了大量的理論論證和實(shí)驗(yàn)研究。
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM619

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