能源是社會的基石,人類的發(fā)展史就是使用能源的更替史,而新能源開發(fā)進(jìn)程十分緩慢,在一些特殊情況下,自然天氣及地質(zhì)變化等會導(dǎo)致工作器件的能源系統(tǒng)嚴(yán)重受損,因此,需要開發(fā)出適應(yīng)特殊情況的供電裝置。本文提出了一種適應(yīng)低頻環(huán)境的寬頻雙穩(wěn)態(tài)壓電能量采集裝置用于微傳感器的無源供電。通過引入磁體實現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu),使振動系統(tǒng)的非線性特性更加明顯,拓寬了能量采集裝置的響應(yīng)頻寬并增大了總體的有效形變,進(jìn)而增強(qiáng)了發(fā)電能力。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計大幅度降低彎、扭頻率,將壓電裝置的彎曲模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)調(diào)整到相鄰位置,實現(xiàn)壓電能量采集裝置的彎扭耦合振動模式,加強(qiáng)了低頻環(huán)境下的發(fā)電效果。論文的主要內(nèi)容如下。1.整理壓電能量采集裝置的研究背景及應(yīng)用方向,介紹非線性壓電系統(tǒng)相對于線性系統(tǒng)的特點,分析混沌運(yùn)動的閾值問題,并對比不同能量采集電路的效果。建立雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)磁力勢能模型,結(jié)合Hamilton原理推導(dǎo)動力學(xué)模型,確定磁力零點計算公式;建立等效電路模型,求解非齊次線性方程組推導(dǎo)輸出電壓、輸出功率的表達(dá)式。2.利用COMSOL仿真軟件進(jìn)行了模態(tài)及諧響應(yīng)分析確定了工作模態(tài),其次分析了壓電基板尺寸參數(shù)對固有頻率及輸出電壓的影響;探究永磁體磁... 

【文章來源】：吉林大學(xué)吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：77 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

常見的各種能量采集裝置

第1章緒論3圖1-2豎直放置的壓電裝置圖1-3Ramlan建立的模型Moehilis等[24]探究了壓電能量采集裝置在正弦激勵下的非線性響應(yīng)特性，設(shè)計了一種具有負(fù)剛度的壓電裝置并探究實際的能量采集效果。Ramlan等[25]提出一種雙彈簧系統(tǒng)，如圖1-3，通過軟件驗證非線性系統(tǒng)具有更高的輸出能力。2013年，李欣欣等[26]針對于微小機(jī)構(gòu)制造了一款MEMS的壓電發(fā)電機(jī)構(gòu)，如圖1-4所示，在加載幅值為1g時，可在9-19Hz的范圍內(nèi)產(chǎn)生1.5μw的平均功率。安裝在汽車座椅上測試，可獲得1.11V的峰值電壓和123nW的峰值功率。2016年，南京大學(xué)的吳義彭[27]等提出了一種變頻能量采集器。如圖1-5，組成非線性能量采集裝置的2個基板通過非對稱設(shè)計，工作時通過主梁拾取環(huán)境低頻振動并帶動副梁進(jìn)行二次振動，由于二次諧振比激勵頻率高三倍，從而使能量采集器實現(xiàn)了變頻采集。降低了噪音并增加了能量收集器的壽命。進(jìn)行探索，而引入非線性特性的雙穩(wěn)態(tài)能量采集器具有在某一激勵頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生大響應(yīng)的特點，可以很好的解決共振頻率寬度過窄這一問題。實現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的方法基本包括兩大類，第一種是利用永磁體的磁力進(jìn)行干涉，使能量采集系統(tǒng)產(chǎn)生兩個穩(wěn)定位置和一個不穩(wěn)定位置；第二種是向能量采集系統(tǒng)施加一個預(yù)應(yīng)力，這樣在收到外界激勵時，能量采集系統(tǒng)就會改變自身狀態(tài)，實現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)或者多穩(wěn)態(tài)的切換，下面對這兩類實現(xiàn)方式的研究進(jìn)行介紹。1.2.1磁力式雙穩(wěn)態(tài)壓電裝置2009年，Erturk等[22]利用磁鐵的排斥力設(shè)計驗證了一種雙穩(wěn)態(tài)壓電能量采集器，如圖1-2。受到外界激勵頻率為5-8Hz時，輸出功率為1.2-10mw。但由于磁鐵位置固定，會產(chǎn)生一定的隨機(jī)共振現(xiàn)象且無法調(diào)整。2011年，Erturk等[23]對設(shè)計一種Duffing振子，克服了重力在豎直方向的不良影響。

第1章緒論3圖1-2豎直放置的壓電裝置圖1-3Ramlan建立的模型Moehilis等[24]探究了壓電能量采集裝置在正弦激勵下的非線性響應(yīng)特性，設(shè)計了一種具有負(fù)剛度的壓電裝置并探究實際的能量采集效果。Ramlan等[25]提出一種雙彈簧系統(tǒng)，如圖1-3，通過軟件驗證非線性系統(tǒng)具有更高的輸出能力。2013年，李欣欣等[26]針對于微小機(jī)構(gòu)制造了一款MEMS的壓電發(fā)電機(jī)構(gòu)，如圖1-4所示，在加載幅值為1g時，可在9-19Hz的范圍內(nèi)產(chǎn)生1.5μw的平均功率。安裝在汽車座椅上測試，可獲得1.11V的峰值電壓和123nW的峰值功率。2016年，南京大學(xué)的吳義彭[27]等提出了一種變頻能量采集器。如圖1-5，組成非線性能量采集裝置的2個基板通過非對稱設(shè)計，工作時通過主梁拾取環(huán)境低頻振動并帶動副梁進(jìn)行二次振動，由于二次諧振比激勵頻率高三倍，從而使能量采集器實現(xiàn)了變頻采集。降低了噪音并增加了能量收集器的壽命。進(jìn)行探索，而引入非線性特性的雙穩(wěn)態(tài)能量采集器具有在某一激勵頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生大響應(yīng)的特點，可以很好的解決共振頻率寬度過窄這一問題。實現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的方法基本包括兩大類，第一種是利用永磁體的磁力進(jìn)行干涉，使能量采集系統(tǒng)產(chǎn)生兩個穩(wěn)定位置和一個不穩(wěn)定位置；第二種是向能量采集系統(tǒng)施加一個預(yù)應(yīng)力，這樣在收到外界激勵時，能量采集系統(tǒng)就會改變自身狀態(tài)，實現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)或者多穩(wěn)態(tài)的切換，下面對這兩類實現(xiàn)方式的研究進(jìn)行介紹。1.2.1磁力式雙穩(wěn)態(tài)壓電裝置2009年，Erturk等[22]利用磁鐵的排斥力設(shè)計驗證了一種雙穩(wěn)態(tài)壓電能量采集器，如圖1-2。受到外界激勵頻率為5-8Hz時，輸出功率為1.2-10mw。但由于磁鐵位置固定，會產(chǎn)生一定的隨機(jī)共振現(xiàn)象且無法調(diào)整。2011年，Erturk等[23]對設(shè)計一種Duffing振子，克服了重力在豎直方向的不良影響。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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[6]電容式集能轉(zhuǎn)換器的調(diào)理拓?fù)浞治雠c優(yōu)化[J]. 于春輝,張黎,黃金鑫,李慶民.  電力系統(tǒng)自動化. 2012(09)
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[8]壓電效應(yīng)及其在材料方面的應(yīng)用[J]. 閻瑾瑜.  數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用. 2011(01)
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[10]微型壓電振動能量采集器的研究進(jìn)展[J]. 唐剛,劉景全,馬華安,柳和生.  機(jī)械設(shè)計與研究. 2010(04)

博士論文
[1]雙穩(wěn)態(tài)壓電懸臂梁俘能器的動態(tài)響應(yīng)及發(fā)電性能研究[D]. 郭抗抗.天津大學(xué) 2015



本文編號：2938161