二十一世紀以來,微電子技術及超大規(guī)模集成電路不斷突破,微處理器及無線傳感器的功耗則不斷降低,體積不斷減小。而與之相應的傳統(tǒng)化學電池的發(fā)展速度卻明顯滯后,其體積大,壽命短和儲能密度低等問題日漸凸顯,成為抑制微電子器件發(fā)展的首要短板。壓電能量收集技術旨在為戶外無線傳感器、便攜式微電子設備輔助供能,基于壓電效應,通過換能材料將環(huán)境中的振動能量轉(zhuǎn)換成易于利用的電能,達到能量收集的目的。本文從壓電轉(zhuǎn)換分析、能量收集器的結(jié)構仿真設計、頻域響應及阻抗匹配實驗和溫度場、磁場等外界物理場耦合等角度,對輪輻式壓電振動能量收集器發(fā)電學輸出進行研究。建立了壓電懸臂梁、輪輻式固支梁結(jié)構的力學模型,推導出了影響諧振頻率及幅值等力學性能的表達式。基于此,建立了壓電能量收集器機電耦合模型,再結(jié)合運動微分方程及壓電耦合方程,求解出了負載電壓頻域響應及匹配阻抗表達式,為下一步提高壓電能量收集器性能提供理論支撐。建立了懸臂梁及輪輻式結(jié)構的有限元模型,利用COMSOL有限元多物理場耦合仿真軟件進行了壓電頻域響應分析。對影響壓電能量輸出的參量包括梁型、基底厚度、壓電層厚度以及基底材料等進行參數(shù)化討論后,探究了其對壓電振動系統(tǒng)工... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：81 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

陣列式壓電懸臂梁

a）謝濤等人的陣列式懸臂梁[19]b）佘引等人的共質(zhì)量塊陣列懸臂梁[20]圖 1-1 陣列式壓電懸臂梁（2）分段式懸臂梁 由于陣列式壓電懸臂梁雖然達到了提高帶寬的目的，但不可避免的增大了整個裝置的體積，因此 Lee[21]提出采用分段式壓電懸臂梁的方式擴大帶寬，實驗模型及壓電頻域響應如圖 1-2 所示。利用一個分段式壓電懸臂梁達到了對兩個相近頻率振動的響應，達到了擴寬工作頻帶的目的。其針對特定環(huán)境下有若干個集中激振頻率的振源，取得了良好的壓電轉(zhuǎn)換效果，解決了懸臂梁式壓電能量收集器只有一個波峰的缺陷。

a）單自由度壓電懸臂梁 b）雙自由度分段壓電梁圖 1-3 程千駒的線性分段式壓電懸臂梁模型[22]（3）非線性振動系統(tǒng) 通過引入外界應力方式達到調(diào)節(jié)系統(tǒng)阻尼屬型的非線性拓寬頻帶的方式之一，該種方式明顯不同于線性拓寬頻帶方常具有較寬的工作頻帶，其中通過使用永磁鐵引入磁力[23-26]是一種較為的方法。圖 1-4 展示了 Challa[25]提出的在振動系統(tǒng)中引入磁力的模型，壓電懸臂梁受迫振動時的受力情況，通過磁力調(diào)節(jié)懸臂梁阻尼達到調(diào)節(jié)頻率的目的，實驗表明通過該方法可明顯改善在不同頻率振動作用下的輸出，達到了拓寬頻帶的目的。a）Challa 磁力模型示意圖 b）調(diào)節(jié)共振頻率后電學輸出圖

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于柔性智能器件的心動能量收集技術研究進展[J]. 張陽陽,呂朝鋒,馮雪.  中國科學:信息科學. 2019(04)
[2]三向壓電懸臂梁振動能量采集器的研究[J]. 馬驍駿,冷永剛,劉進軍,范勝波.  振動與沖擊. 2018(22)
[3]可更換式多方向振動能量收集裝置優(yōu)化研究[J]. 張旭輝,吳中華,鄧鵬飛,賴正鵬,樊紅衛(wèi).  壓電與聲光. 2017(04)
[4]全方向振動能量收集系統(tǒng)[J]. 張旭輝,林然.  工礦自動化. 2015(01)
[5]MEMS壓電陣列振動能量收集器[J]. 佘引,溫志渝,趙興強,鄧麗城,尚正國.  傳感技術學報. 2014(08)
[6]一種寬頻的磁式壓電振動能量采集器[J]. 馬華安,劉景全,唐剛,楊春生,李以貴.  傳感器與微系統(tǒng). 2011(04)
[7]Rainbow型壓電單膜片換能結(jié)構負載電壓和輸出功率分析[J]. 劉祥建,陳仁文.  航空學報. 2011(03)
[8]多懸臂梁壓電振子頻率分析及發(fā)電實驗研究[J]. 謝濤,袁江波,單小彪,陳維山.  西安交通大學學報. 2010(02)

博士論文
[1]分段線性壓電能量收集器的寬頻俘能特性研究[D]. 程千駒.哈爾濱工程大學 2017
[2]基于壓電厚膜的MEMS振動能量采集器研究[D]. 唐剛.上海交通大學 2013

碩士論文
[1]基于壓電電磁的復合俘能技術研究[D]. 徐紅斌.南京郵電大學 2018
[2]兩端固支梁壓電振動能量收集器的研究[D]. 劉兵.大連理工大學 2017
[3]基于諧振式懸臂梁的壓電—電磁復合俘能技術研究[D]. 任佳琦.哈爾濱工業(yè)大學 2011



本文編號：3222257