本文關(guān)鍵詞：低頻寬帶振動能量采集器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：環(huán)境振動能作為一種常見的能量形式,廣泛存在于大型工礦設(shè)備,交通運(yùn)輸裝備,公路、橋梁等大型工程建筑,以及生物體活動中。采集環(huán)境中的振動能量,為微納監(jiān)測器件供電,對于解決高噪、高振動,野外環(huán)境,生物微環(huán)境等特殊環(huán)境中電子監(jiān)測器件的能源穩(wěn)定供給問題,具有重要的研究意義和實(shí)用價(jià)值;同時(shí),環(huán)境能量采集系統(tǒng)的研究對于解決傳統(tǒng)能源供給方式(如化學(xué)電池)體積大、生命周期有限、污染環(huán)境等問題也提供了新的研究思路。環(huán)境中的振動一般均表現(xiàn)為多個(gè)振動的相互作用,具有加速度幅值小,振動頻率低(200Hz),頻帶較寬等特點(diǎn)。而傳統(tǒng)的基于壓電效應(yīng)的振動能量采集器由于固有頻率高,工作頻帶窄,已不能滿足當(dāng)前環(huán)境振動能量采集的需求。針對上述問題,本論文提出了一種基于線性多自由度理論的振動能量采集裝置,實(shí)現(xiàn)了100 Hz以下范圍內(nèi)的多模態(tài)寬頻能量采集。具體研究內(nèi)容如下:(1)概括了當(dāng)前的特殊環(huán)境下微納傳感器件的自供電問題,并對靜電式、壓電式以及電磁式三種傳統(tǒng)的振動能量采集方式做了介紹。其中,著重分析了壓電式振動能量采集器的最新發(fā)展趨勢,以及典型研究工作中所涉及能量采集器件的優(yōu)缺點(diǎn),在此基礎(chǔ)上對本論文所設(shè)計(jì)的低頻寬帶能量采集結(jié)構(gòu)提出要求。(2)研究了壓電式能量采集的理論基礎(chǔ),包括壓電效應(yīng)基本概念、壓電材料及其性能參數(shù)以及壓電方程等。并從理論上分析了傳統(tǒng)懸臂梁式振動能量采集器的機(jī)電轉(zhuǎn)換特性、頻譜特性以及其性能缺陷。(3)設(shè)計(jì)了一種線性多自由度能量采集裝置,建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論分析,并應(yīng)用COMSOL有限元軟件進(jìn)行了仿真計(jì)算。結(jié)果表明,隨著自由度的增加,共振頻率明顯降低;線性多自由度度能量采集器在0-200Hz范圍內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)共振模態(tài),模態(tài)接近或相連,有效拓寬了工作頻帶。(4)搭建了能量采集系統(tǒng)測試平臺。對加工制造的線性單自由度、二自由度以及三自由度能量采集裝置進(jìn)行了開路電壓測試和功率測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,線性三自由度能量采集器的有效工作帶寬拓展到15Hz,為單自由度結(jié)構(gòu)的375%;同時(shí)其在一階固有頻率處的最大輸出功率達(dá)到82.4μW,在其它三階模態(tài)處也均有功率輸出,可適用于多源寬頻帶的振動環(huán)境。
【關(guān)鍵詞】：振動能量采集 線性多自由度系統(tǒng) 低頻 寬帶
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM619
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 緒論10-22
• 1.1 研究背景及意義10-11
• 1.2 國內(nèi)外研究概況11-20
• 1.2.1 典型振動能量采集形式11-13
• 1.2.2 壓電式能量采集技術(shù)的分類研究13-20
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容20-22
• 第二章 壓電振動能量采集基礎(chǔ)理論研究22-32
• 2.1 壓電理論基礎(chǔ)22-26
• 2.1.1 壓電效應(yīng)基本概念22-23
• 2.1.2 壓電材料及其性能參數(shù)介紹23-25
• 2.1.3 壓電方程25-26
• 2.2 壓電懸臂梁能量采集理論26-31
• 2.2.1 壓電懸臂梁能量采集結(jié)構(gòu)及其模型分析26-29
• 2.2.2 壓電懸臂梁頻譜特性分析29-31
• 2.3 本章小結(jié)31-32
• 第三章 線性多自由度能量采集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)32-46
• 3.1 有限元分析基礎(chǔ)32-34
• 3.1.1 有限元分析基礎(chǔ)理論32-33
• 3.1.2 基于COMSOL軟件的分析過程33-34
• 3.2 線性多自由度能量采集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其數(shù)模分析34-39
• 3.2.1 線性多自由度能量采集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)34-35
• 3.2.2 線性多自由度結(jié)構(gòu)固有頻率分析35-38
• 3.2.3 線性多自由度結(jié)構(gòu)開路電壓分析38-39
• 3.3 有限元仿真分析39-45
• 3.3.1 有限元模型建立39-42
• 3.3.2 固有頻率與頻域求解42-45
• 3.4 本章小結(jié)45-46
• 第四章 線性多自由度能量采集器樣機(jī)加工與測試46-62
• 4.1 振動能量采集系統(tǒng)測試平臺介紹46-49
• 4.2 采集器加工49-53
• 4.2.1 壓電材料合成49
• 4.2.2 壓電懸臂梁的加工49-51
• 4.2.3 線性多自由度能量采集器的加工51-53
• 4.3 線性多自由度能量采集器開路電壓分析53-56
• 4.3.1 線性能量采集器開路電壓測試53-55
• 4.3.2 開路電壓結(jié)果對比分析55-56
• 4.4 線性多自由度能量采集器功率分析56-60
• 4.4.1 最佳匹配電阻分析56-59
• 4.4.2 功率測試結(jié)果分析59-60
• 4.5 本章小結(jié)60-62
• 第五章 總結(jié)與展望62-64
• 5.1 總結(jié)62-63
• 5.2 展望63-64
• 參考文獻(xiàn)64-72
• 致謝72-74
• 攻讀碩士期間發(fā)表的論文及獲得的成果74

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1 唐剛;劉景全;馬華安;柳和生;;微型壓電振動能量采集器的研究進(jìn)展[J];機(jī)械設(shè)計(jì)與研究;2010年04期

2 李偉;車錄鋒;王躍林;;橫向電磁式振動能量采集器的設(shè)計(jì)與制作[J];光學(xué)精密工程;2013年03期

3 陳宏;袁浩東;張帥偉;侯亞丁;趙營豪;;基于振動能量的設(shè)備狀態(tài)評價(jià)方法研究[J];機(jī)械設(shè)計(jì)與制造;2013年02期

4 王佩紅;戴旭涵;方東明;趙小林;;微型電磁式振動能量采集器的設(shè)計(jì)和電磁特性仿真研究[J];合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2008年04期

5 侯志偉;陳仁文;劉祥建;;多方向壓電振動能量收集裝置及其優(yōu)化設(shè)計(jì)[J];振動與沖擊;2012年16期

6 趙志剛;丁旭升;劉福貴;楊茁萌;;微型電磁式振動能量采集器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真研究[J];電工技術(shù)學(xué)報(bào);2012年08期

7 劉成龍;孟愛華;陳文藝;李厚福;宋紅曉;;振動能量收集技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J];裝備制造技術(shù);2013年12期

8 伍先俊;朱石堅(jiān);;振動能量流的計(jì)算方法研究[J];農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào);2006年03期

9 代顯智;;實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)備自供電的振動能量采集技術(shù)[J];科技信息;2011年17期

10 展永政;王光慶;;壓電振動能量采集器的性能分析與功率優(yōu)化[J];浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版);2014年07期

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1 張文明;;微型振動能量采集器的研究進(jìn)展[A];第四屆全國動力學(xué)與控制青年學(xué)者研討會論文摘要集[C];2010年

2 陳忱;李天勻;朱翔;陳浩森;;載流壓力管路振動能量流的理論與試驗(yàn)研究[A];第十六屆中國海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會論文集（上冊）[C];2013年

3 曾國華;孔建益;李公法;楊金堂;蔣國璋;熊禾根;;充液管道系統(tǒng)振動能量流研究[A];12省區(qū)市機(jī)械工程學(xué)會2006年學(xué)術(shù)年會湖北省論文集[C];2006年

4 李公法;孔建益;幸福堂;王興東;劉懷廣;劉源l，

本文編號：287375