微機電系統(tǒng)技術與無線傳感器網(wǎng)絡的飛速發(fā)展使得傳統(tǒng)電池不再適應低功耗電子產(chǎn)品的供電需求。電池供電利用率低、質(zhì)量大、體積大、功能壽命有限等缺點隨著電子產(chǎn)品的不斷小型化、微型化而日漸明顯。因此尋求一種可持續(xù)、環(huán)保的新型能源代替電池成為當前發(fā)展的迫切需要。振動能量因其無處不在,且無污染等優(yōu)點成為當前替代電池的新能源,而如何采集并高效利用這些振動能量成為目前的研究熱點。壓電振動能量采集技術就是利用壓電陶瓷的壓電效應采集環(huán)境中的振動能量再將其轉(zhuǎn)化為電能給一些低功耗電子器件供電�，F(xiàn)有的壓電振動能量采集器主要是以壓電懸臂梁為主的線性諧振式振蕩器,具有結構簡單、易于實現(xiàn)、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點,但也有工作頻帶窄,采集效率低等缺點。與單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)能量采集器相比,三穩(wěn)態(tài)壓電能量采集器具有更優(yōu)良的輸出特性,更適合于微功耗電子產(chǎn)品的供電需求并成為當前的研究熱點。如何拓展壓電振動能量采集器的工作帶寬和提高能量采集的效率使之更具實用性是當前迫切需要解決的主要問題。基于磁鐵耦合的壓電懸臂梁三穩(wěn)態(tài)能量采集器是當前主流的研究結構。大量研究成果表明該類能量采集器具有較高的輸出性能和較寬的工作頻帶。但是,在一些磁場干擾較強的... 

【文章來源】：浙江工商大學浙江省

【文章頁數(shù)】：89 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

壓電陶如圖1-2所示為Rijeka[22]大學研發(fā)出

41.2.3壓電能量采集技術的應用現(xiàn)狀隨著壓電能量采集技術的不斷發(fā)展，其優(yōu)勢逐漸突出，人們開始在實際生活中應用一些相關的能量采集裝置。主要應用到可穿戴設備、遠程傳感器節(jié)點（包括網(wǎng)狀網(wǎng)絡）、移動傳感器（如氣體檢測器）和運動檢測器方面[20]。最常見的便攜式換能器就是壓電陶瓷打火機，如圖1-1所示，內(nèi)設壓電陶瓷元件作為發(fā)火機構。利用壓力使壓電陶瓷內(nèi)部的正負電荷移位，從而引起極化現(xiàn)象，導致材料兩端表面出現(xiàn)符號相反電荷，此時會將機械能轉(zhuǎn)換為電能，并在尖端放出瞬時高壓電火花點燃燃料[21]。圖1-1壓電陶瓷打火機如圖1-2所示為Rijeka[22]大學研發(fā)出以壓電式能量采集結構為輪胎監(jiān)測系統(tǒng)供電的裝置。只需在車輪上安裝此裝置，在汽車行駛過程中就可以利用輪胎產(chǎn)生的振動使壓電片產(chǎn)生形變，進而將機械能轉(zhuǎn)化為電能為壓力監(jiān)測系統(tǒng)的傳感裝置供能，以便于實時監(jiān)測輪胎氣壓，減少車輛事故的發(fā)生。此類技術推動了壓電能量采集技術在實際應用中的發(fā)展。圖1-2壓電式輪胎檢測裝置1.3存在的問題及不足

20圖3-1基于磁-機耦合的壓電振動能量采集器PeiZhu錯誤!未找到引用源。等人在雙穩(wěn)態(tài)壓電能量采集器的基礎上進行改進優(yōu)化，在懸臂梁末端橫向水平位置添加一塊外部磁體，搭建了基于磁-機耦合的三穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器，依據(jù)此裝置重點探究了系統(tǒng)在三種不同勢能阱狀態(tài)下的輸出特性的差異。對比仿真與實驗結果發(fā)現(xiàn)：只有當系統(tǒng)處于穩(wěn)定的三穩(wěn)態(tài)特性時，勢能阱大小才會大致相同，此時能量采集系統(tǒng)的工作頻率帶寬最大，且采集效率最高。但是溫度、空間、磁嘗角度等因素對磁鐵磁性都有影響，這會導致采集器的輸出特性不穩(wěn)定，這使得采集器的應用更困難。Cao錯誤!未找到引用源。等提議將質(zhì)量彈簧模型加入到壓電振動能量采集裝置，并且研究了該系統(tǒng)的光滑不連續(xù)和幾何非線性特征。韓彥偉錯誤!未找到引用源。等提出基于非線性彈簧的三穩(wěn)態(tài)幾何非線性系統(tǒng)，深入地研討了系統(tǒng)的動力學問題以及幾何非線性特征，并揭示了其本質(zhì)屬性，同時通過建立SD振子系列的多穩(wěn)態(tài)幾何非線性抽象模型，探討了復雜的動力學應用機理，這些理論研究和實驗為實際工程應用方面提供必了要的保障。本論文以大量的實驗研究為基礎，提出了一種新型基于末端彈性元件耦合的非線性三穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器，將兩個線性彈簧設置在壓電雙晶懸臂梁末端質(zhì)量塊的一側(cè)，且關于懸臂梁中心軸對稱。當在壓電雙晶懸臂梁上施加外部激勵時，末端質(zhì)量塊會上下擺動，同時帶動兩個連接在質(zhì)量塊上的線性彈簧，使其分別產(chǎn)生壓縮或者拉伸的變形，此時能量采集裝置的幾何構形也會隨之變化，進而引起壓電振動采集器作非線性振動。遵循能量守恒定律將非線性三穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器等效為非線性動力學模型，建立動力學方程并進行仿真分析，研究改變系統(tǒng)參數(shù)時靜力學和動力學特性的變化。

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
[1]一類幾何非線性系統(tǒng)的動力學行為及應用研究[D]. 韓彥偉.哈爾濱工業(yè)大學 2015

碩士論文
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[2]幅度增量變分原理及其在強非線性振動中的應用[D]. 張媛媛.哈爾濱工程大學 2013
[3]雙旋石英晶體板的高頻振動分析[D]. 王文軍.寧波大學 2012



本文編號：2975396