本文關(guān)鍵詞：基于Sierpinski分形結(jié)構(gòu)的小型寬帶振動(dòng)換能器的設(shè)計(jì)與制作

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【摘要】：近年來,隨著微電子設(shè)備的飛速發(fā)展,如何為其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)高效地供電已經(jīng)成為新的研究熱點(diǎn)。為了能夠克服傳統(tǒng)電池和有線電源在各種微型電子器件中存在的問題,能自發(fā)采集環(huán)境能量的自供能技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。振動(dòng)換能器是能夠自發(fā)地采集環(huán)境中的振動(dòng)能量,并將其轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置,傳統(tǒng)的振動(dòng)換能器存在頻率響應(yīng)帶寬較窄、能量轉(zhuǎn)換不穩(wěn)定以及能量轉(zhuǎn)換效率不高的問題。針對(duì)上述問題,本論文根據(jù)分形的結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)了壓電振子,利用分形的自相似性與結(jié)構(gòu)多樣性增加了能量采集密度,拓寬了頻率響應(yīng)帶寬。本論文設(shè)計(jì)了基于Sierpinski分形的小型寬帶壓電振子結(jié)構(gòu)。該壓電振子結(jié)構(gòu)以分形幾何為設(shè)計(jì)思想,以壓電理論和懸臂梁理論為基礎(chǔ)。通過對(duì)Sierpinski三角分形進(jìn)行懸臂梁化,設(shè)計(jì)出三個(gè)不同層次的單元結(jié)構(gòu),不同的單元結(jié)構(gòu)具有不同大小的諧振頻率,能夠響應(yīng)環(huán)境中不同頻率的振動(dòng)機(jī)械能,從而增大了壓電換能器的帶寬。并且對(duì)單元結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行細(xì)化調(diào)整,避免內(nèi)部小單元的相互連接。通過對(duì)壓電振子結(jié)構(gòu)實(shí)用性的考慮,對(duì)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了內(nèi)部節(jié)點(diǎn)固定,保證了該分形壓電振子的穩(wěn)定性。本論文制作了基于Sierpinski分形結(jié)構(gòu)的壓電振動(dòng)換能器件。選取表面鍍鋁的聚偏二氟乙烯薄膜(PVDF)壓電材料,采用皮秒微加工設(shè)備對(duì)壓電薄膜進(jìn)行精確切割,加工出所設(shè)計(jì)的壓電振子結(jié)構(gòu),利用導(dǎo)電銅框加固后引出導(dǎo)線,再加裝有機(jī)玻璃保護(hù)層進(jìn)行有效封裝,最終制作出尺寸為50mm×50mm的壓電振動(dòng)換能器件。本論文對(duì)制作成型的分形壓電換能器件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了振動(dòng)頻率與輸出電壓的實(shí)驗(yàn)、周期性掃頻實(shí)驗(yàn)和振源強(qiáng)度與輸出電壓的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期一致。因此,本文所設(shè)計(jì)的基于Sierpinski分形結(jié)構(gòu)的壓電換能器件具有寬帶特性和能量轉(zhuǎn)換穩(wěn)定性,能夠在較小的體積下具備較寬的能量轉(zhuǎn)換帶寬。
【關(guān)鍵詞】：能量采集 分形結(jié)構(gòu) 壓電材料 振動(dòng)換能 懸臂梁結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：南京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TB535;TM619
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 第一章 緒論7-15
• 1.1 振動(dòng)換能器的研究背景7-8
• 1.2 壓電式振動(dòng)能量收集器的工作原理8-10
• 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀10-13
• 1.4 分形結(jié)構(gòu)的壓電振動(dòng)換能器思路13-14
• 1.5 本文主要研究?jī)?nèi)容14-15
• 第二章 分形幾何學(xué)與懸臂梁結(jié)構(gòu)理論15-26
• 2.1 分形幾何理論基礎(chǔ)15-20
• 2.2 壓電效應(yīng)理論基礎(chǔ)20-21
• 2.3 懸臂梁結(jié)構(gòu)理論基礎(chǔ)21-25
• 2.4 本章小結(jié)25-26
• 第三章 基于分形結(jié)構(gòu)的壓電振子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)26-37
• 3.1 Sierpinski分形曲線的概述26-29
• 3.1.1 Sierpinski分形的分類26-28
• 3.1.2 Sierpinski分形的維數(shù)28-29
• 3.2 基于Sierpinski分形的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)29-36
• 3.2.1 分形懸臂梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)30-32
• 3.2.2 分形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化32-36
• 3.3 本章小結(jié)36-37
• 第四章 基于Sierpinski分形結(jié)構(gòu)的壓電換能器的制作37-44
• 4.1 分形結(jié)構(gòu)壓電振子的加工制備37-40
• 4.2 分形結(jié)構(gòu)壓電原型器件的封裝40-42
• 4.3 分形結(jié)構(gòu)壓電換能器的能量采集電路42-43
• 4.4 本章小結(jié)43-44
• 第五章 分形結(jié)構(gòu)壓電振動(dòng)換能器的實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析44-55
• 5.1 實(shí)驗(yàn)裝置及平臺(tái)搭建44-47
• 5.2 分形結(jié)構(gòu)壓電振動(dòng)換能器的性能測(cè)試47-52
• 5.2.1 頻率與輸出電壓的實(shí)驗(yàn)測(cè)試47-49
• 5.2.2 周期性掃頻實(shí)驗(yàn)測(cè)試49-51
• 5.2.3 振源強(qiáng)度與輸出電壓的實(shí)驗(yàn)測(cè)試51-52
• 5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析52-54
• 5.4 本章小結(jié)54-55
• 第六章 總結(jié)與展望55-57
• 6.1 本文工作成果總結(jié)55-56
• 6.2 未來研究工作展望56-57
• 參考文獻(xiàn)57-60
• 附錄1 攻讀碩士學(xué)位期間申請(qǐng)的專利60-61
• 致謝61

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