【摘要】：壓電俘能器能夠直接將周圍環(huán)境中存在的振動能量轉換為電能,是目前能源領域研究的熱點。壓電懸臂梁作為壓電俘能器中最為常見的結構形式,具有相對較低的諧振頻率以及較高的機電轉換效率。值得注意的是,只有當其工作在諧振頻率附近時,才能產(chǎn)生較高的發(fā)電性能。然而,我們生活周圍大多數(shù)振動的頻率分布在次聲頻段,同時振動的形式是多元的,其大小、方向具有波動性。因此,絕大部分振動環(huán)境難以為壓電懸臂梁提供一個穩(wěn)定的諧振條件,從而導致了壓電懸臂梁的能量收集效率大大降低。本文對壓電懸臂梁的能量收集特性進行了研究和分析,指出了其在低頻振動下應用的局限性。結合碰撞升頻轉換的方法,提出了一種基于擺球碰撞式壓電俘能器的設計方法,并對其進行了有限元分析和實驗驗證,為如何有效在低頻振動環(huán)境下進行能量收集提供一個新的研究思路。通過有限元分析和實驗驗證的方法,對壓電懸臂梁的材料屬性以及結構參數(shù)進行了分析;研究了單壓電片懸臂梁、并聯(lián)雙壓電片懸臂梁以及串聯(lián)雙壓電懸臂梁三種不同連接形式下輸出電壓、輸出功率、最優(yōu)負載以及內阻抗之間的關系。通過分析指出諧振模式下壓電懸臂梁的工作帶寬窄,當外界振動頻率偏離諧振頻率時,輸出功率迅速下降。通過有限元仿真對碰撞力作用下壓電懸臂梁的輸出特性進行了分析。結果指出壓電片長度越短,厚度越薄,機械結構阻尼比越小,自由衰減產(chǎn)生的開路電壓幅值越大,衰減振動持續(xù)時間越長。在壓電懸臂梁結構的基礎上,提出一種單擺球碰撞式壓電俘能器,利用有限元軟件對擺球和壓電懸臂梁的碰撞過程進行了模擬仿真。根據(jù)有限元的仿真分析和實際測試結果,該裝置能有效地將外界低頻振動轉換為擺球與懸臂梁的高頻碰撞,從而使得壓電懸臂梁上產(chǎn)生較高的電壓輸出。當外界振動頻率為2Hz、幅值為2.5mm時,擺球和懸臂梁之間的碰撞頻率達到了10Hz,碰撞作用引起壓電懸臂梁產(chǎn)生的輸出電壓峰值可達30.2V和26.1V。當將兩壓電懸臂梁并聯(lián)之后,在最優(yōu)負載130kΩ下的平均輸出功率為10.53μW。通過仿真分析和實驗測試指出,外界振動頻率在1Hz到8Hz之間時均能引起擺球和懸臂梁的碰撞。結合實際的應用場景(如波浪環(huán)境或人體運動環(huán)境),針對這種抖動振動形式,在單擺球壓電俘能器的基礎上,提出一種雙擺球壓電俘能結構。相比于單擺球結構,雙擺球結構下每次碰撞能夠與兩個壓電懸臂梁同時發(fā)生作用。該結構不僅增加了壓電俘能器的輸出功率,提高能量收集密度,同時還能夠有效降低壓電俘能器的匹配負載。在頻率為2Hz、幅值為10°的擺動激勵下,外接負載為47kΩ,測得雙擺球壓電俘能器的平均輸出功率達到了43μW。最后,對經(jīng)過整流濾波電路后的輸出電信號進行了測試與分析,在470μF濾波電容下測得電容兩端穩(wěn)定直流輸出電壓為5.07V,足以滿足微機電系統(tǒng)供能需求。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM619
【圖文】：

圖 1-1 不同能源功率密度和電壓的對比式能量收集器有其獨特的優(yōu)勢，但在實際的應用中，由于環(huán)境方向通常是未知的，因此如何來設計自適應調節(jié)固有頻率以器是人們研究的熱點。同時在自然環(huán)境中絕大多數(shù)都是低頻振＜3Hz)[10]，往往都偏離了器件的諧振頻率，如何有效地提高對效率也是目前的研究方向。本文從壓電懸臂梁結構出發(fā)，分析頻振動下應用的局限性，提出了一種基于擺球碰撞式壓電俘效地在低頻振動環(huán)境下收集電能提供一種新的研究思路。的研究現(xiàn)狀與進展收集技術的基本原理，即在外界振動源的作用下，壓電材料發(fā)材料的正壓電效應，使得在壓電材料的上、下表面產(chǎn)生正、負

華 中 科 技 大 學 碩 士 學 位 論 文、壓電振子結構形式、能量收集電路幾個方面的研究進行簡要的介紹。壓電俘能器的寬頻技術以及低頻俘能技術方面進行詳細的介紹。 壓電材料在俘能器中的應用在 1880 年，居里兄弟就發(fā)現(xiàn)了 α-石英晶體具有壓電特性。當電介質晶用而發(fā)生形變時，在其表面會產(chǎn)生成比例的異號電荷，這種現(xiàn)象稱為正圖 1-2(a)所示；反之，晶體受到外電場作用會成比例的產(chǎn)生形變，此稱，如圖 1-2(b)所示。壓電材料正是具有這種能將機械能轉換為電能的特泛用于振動能量收集領域。

圖 1-3 Lei 等制作的基于 PZT 薄膜的微型壓電俘能器的工藝流程圖(a)和制作實氟乙烯（PVDF）是由單體偏氟乙烯（CH2=CF2）合成的半結晶型（-CF2-CF2-）。PVDF 需經(jīng)過拉伸極化后才具有壓電效應。相比于壓電有良好的柔韌性、可加工性以及耐疲勞性，因而被用于大應變和沖擊集。早在 1984 年，Hausler[17]等人就通過 PVDF 薄膜對動物呼吸產(chǎn)生研究。該裝置安置在狗的相鄰肋骨間，得到了 17μW 的連續(xù)功率輸出ks[18]等利用 PVDF 來將動脈的擴張和收縮能轉換為的電能，來為植入能，如圖 1-4 所示。測得輸出電壓為 1.2V,最大輸出功率為 16μW。

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本文編號：2792819