微功率無線傳感器由于工作環(huán)境的復(fù)雜性,往往通過化學(xué)電池進(jìn)行供電。然而化學(xué)電池工作壽命短,在惡劣環(huán)境下的更換與維護(hù)不便,且極易造成污染,因此,用于捕獲環(huán)境振動能的壓電振動能量捕獲器作為未來可期的替代供能單元受到了廣泛研究。壓電多向振動能量捕獲技術(shù)是壓電振動能量捕獲領(lǐng)域的一個重要研究方向,其目的在于使壓電振動能量捕獲器具有響應(yīng)空間多個方向振動的能力。以往的壓電多向振動能量捕獲器大都存在局限性:（1）利用多個壓電振子實(shí)現(xiàn)多向振動,體積能量密度較低;（2）利用復(fù)雜機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多向振動,制作困難;（3）采用端部帶質(zhì)量的懸臂梁結(jié)構(gòu)發(fā)電,雙向變形可靠性低。針對上述存在的問題,本文結(jié)合國家自然科學(xué)基金“基于組合換能器的磁力耦合輔助激勵式壓電振動發(fā)電機(jī)研究”,提出了一種基于擺錘與輔助梁間接激勵壓電梁的多向振動能量捕獲器,并從理論和試驗(yàn)兩方面對其響應(yīng)特性進(jìn)行了研究。所完成的主要研究內(nèi)容包括:1.提出了通過擺錘與輔助梁間接激勵壓電梁實(shí)現(xiàn)能量捕獲器多向振動的新方法。擺錘與輔助梁構(gòu)成激勵器,當(dāng)能量捕獲器受到空間某一方向的振動激勵時,激勵器在慣性力和慣性扭矩的作用下發(fā)生縱振和扭擺變形,迫使輔助梁上下兩側(cè)的壓電梁彎曲變... 

【文章來源】：浙江師范大學(xué)浙江省

【文章頁數(shù)】：74 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

重心可調(diào)式振動能量捕獲器Figure1.1Barycentricadjustablevibration

第1章緒論21.2寬頻帶能量捕獲技術(shù)寬頻帶能量捕獲技術(shù)的提出旨在提高能量捕獲器的環(huán)境適應(yīng)能力，使其工作頻帶盡可能涵蓋激勵頻率范圍，其主要包含兩種形式：①諧振頻率可調(diào)，其中又可分為被動調(diào)諧與主動調(diào)諧，主動調(diào)諧就是能量捕獲器針對環(huán)境激勵自動調(diào)節(jié)固有頻率與之相匹配；被動調(diào)諧則需要人為對環(huán)境頻率做評估后手動調(diào)節(jié)能量捕獲器的固有頻率；②諧振頻率不可調(diào)但頻域上具有更寬的有效帶寬。1.2.1諧振頻率可調(diào)式振動能量捕獲器振動能量捕獲器諧振頻率的調(diào)諧可通過調(diào)節(jié)質(zhì)量、剛度與阻尼實(shí)現(xiàn)，具體途徑包括改變重心、施加機(jī)械力、磁力調(diào)諧與電控調(diào)諧等。1.2.1.1被動調(diào)諧式振動能量捕獲器2005年，Cornwell等人通過在懸臂梁末端添加質(zhì)量，將能量捕獲器的諧振頻率由40.7Hz降低至38.2Hz[12]。2008年，Wu等人提出了一種如圖1.1所示的質(zhì)量重心可調(diào)的懸臂梁式壓電振動能量捕獲器[13]。研究發(fā)現(xiàn)，隨著重心位置的改變，能量捕獲器的諧振頻率在130-180Hz的范圍內(nèi)變化。2010年，Kim等人對帶有附加質(zhì)量的懸臂梁結(jié)構(gòu)建立了完整的模態(tài)振型函數(shù)[14]，系統(tǒng)地研究了附加質(zhì)量的形狀、大孝位置等參數(shù)對能量捕獲器諧振頻率與輸出性能的影響；2019年，Abdolreza等人也建立了解析模型研究附加質(zhì)量重心與轉(zhuǎn)動慣量對能量捕獲器諧振頻率的影響規(guī)律[15]。圖1.1重心可調(diào)式振動能量捕獲器Figure1.1Barycentricadjustablevibrationenergycatcher圖1.2基于張緊PVDF薄膜調(diào)頻的能量捕獲器Figure1.2FrequencytunableenergycatcherbasedontensioningPVDFfilm

第1章緒論3通過質(zhì)量進(jìn)行調(diào)頻手段有限，故更多的研究將目光投在通過改變系統(tǒng)剛度實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。2008年，Morris提出了一種如圖1.2所示的通過預(yù)緊螺栓張緊PVDF薄膜改變其剛度繼而實(shí)現(xiàn)調(diào)頻的振動能量捕獲器[16]。試驗(yàn)結(jié)果表明能量捕獲器諧振頻率的調(diào)節(jié)范圍為80-235Hz，遺憾的是試驗(yàn)并未獲得一個理想的發(fā)電效果。2012年，Niri與Salamone提出了一種如圖1.3所示的端部連接有兩根斜彈簧的單向調(diào)頻振動能量捕獲器[17]。該結(jié)構(gòu)可等效為在懸臂梁端部串聯(lián)彈簧的同時施加軸向力，彈簧系數(shù)與軸向力隨斜彈簧與懸臂梁之間夾角的變化而變化。研究表明，當(dāng)夾角從9.5°增加至25.5°時，能量捕獲器的固有頻率對應(yīng)從6Hz升高至61.8Hz。2013年，Eichhorn等人提出了一種如圖1.4所示的由主梁與輔助梁構(gòu)成的雙向調(diào)頻振動能量捕獲器[18]。通過正向或反向旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺栓可實(shí)現(xiàn)輔助梁對主梁施加壓、拉應(yīng)力從而降低或升高能量捕獲器的諧振頻率。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)主梁承受壓應(yīng)力時，能量捕獲器的諧振頻率調(diào)節(jié)范圍為380-292Hz；承受拉應(yīng)力時，調(diào)節(jié)范圍為440-460Hz。2018年，Pydah和Batra提出了一種如圖1.5所示的折疊固支梁調(diào)頻式振動能量捕獲器[19]。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)為單次折疊梁結(jié)構(gòu)時（圖1.6），折疊角α在從0°增加至30°，固支梁的前三階諧振頻率分別升高175%、34%和58%。圖1.3單向調(diào)頻振動能量捕獲器Figure1.3Onewayfrequencytunablevibrationenergycatcher圖1.4雙向調(diào)頻振動能量捕獲器Figure1.4Bothwayfrequencytunablevibrationenergycatcher圖1.5折疊固支梁調(diào)頻式振動能量捕獲器Figure1.5Beam-Basedvibrationenergycatchertunablethroughfolding圖1.6單次折疊結(jié)構(gòu)Figure1.6Singlefoldstructure

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于壓電簡支梁拉伸調(diào)頻的旋磁發(fā)電機(jī)[J]. 闞君武,何恒錢,王淑云,廖衛(wèi)林,張忠華,陳松,吳亞奇.  中國機(jī)械工程. 2019(23)
[2]Energy harvester array using piezoelectric circular diaphragm for rail vibration[J]. Wei Wang,Rong-Jin Huang,Chuan-Jun Huang,Lai-Feng Li.  Acta Mechanica Sinica. 2014(06)
[3]自調(diào)諧寬頻帶壓電振動發(fā)電機(jī)的改進(jìn)[J]. 朱莉婭,陳仁文,劉祥建,隆志遠(yuǎn).  南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào). 2012(03)

碩士論文
[1]基于分形結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷振動換能器研究[D]. 蔣旭.南京郵電大學(xué) 2018



本文編號：3502321