發(fā)布時(shí)間：2020-06-23 12:33

【摘要】：在車輛、橋梁和道路等環(huán)境中存在著豐富的振動(dòng)能,利用這些振動(dòng)能為超低功耗無(wú)線傳感器供電,成為了近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。壓電式能量采集器是一種基于正壓電效應(yīng)的振動(dòng)能量采集器,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能夠提供穩(wěn)定的電壓輸出。然而,大部分的壓電振動(dòng)能量采集器只有在諧振頻率下才有著較為理想的輸出,一旦外部的激振頻率偏離了諧振頻率,電壓輸出會(huì)大幅下降,難以滿足用電器的需要。因此,針對(duì)這種工作頻帶較窄的問(wèn)題,本文提出了一種橋式壓電能量收集裝置,以拓寬能量采集的頻帶,并且該裝置能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的固有頻率,與外部激勵(lì)頻帶匹配。首先,本文根據(jù)二維非線性Euler-Bernoulli梁假設(shè),得到了大變形應(yīng)變-位移的幾何非線性關(guān)系;利用Hamilton原理得到了系統(tǒng)的分布參數(shù)動(dòng)力學(xué)模型,通過(guò)Galerkin離散得到了系統(tǒng)的一階響應(yīng)方程,經(jīng)過(guò)變分和無(wú)量綱化,得到了無(wú)量綱的機(jī)電耦合方程;基于諧波平衡法對(duì)機(jī)電耦合方程進(jìn)行求解,得到了電壓幅值和平均功率的近似求解表達(dá)式。然后,利用Matlab軟件,對(duì)該模型進(jìn)行解析分析和數(shù)值求解,研究了激振頻率、激勵(lì)振幅、質(zhì)量塊位置和負(fù)載對(duì)橋式壓電能量收集裝置的輸出的影響,并進(jìn)一步探究了移動(dòng)質(zhì)量塊對(duì)輸出電壓的影響;基于Multiphysics COMSOL多物理場(chǎng)有限元軟件,得到了不同質(zhì)量塊位置下橋式壓電能量采集器的模態(tài)振型和輸出電壓。最后,設(shè)計(jì)并制作了橋式壓電能量收集裝置的樣機(jī)以及實(shí)驗(yàn)基座,通過(guò)實(shí)驗(yàn),得到了不同激勵(lì)條件和質(zhì)量塊位置下的橋式壓電能量收集裝置的一階電壓響應(yīng)曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,橋式壓電能量采集器結(jié)構(gòu)能夠拓寬能量采集的工作頻帶,并且當(dāng)質(zhì)量塊位于壓電梁邊緣時(shí)的輸出電壓最大。此外,還通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了移動(dòng)質(zhì)量塊對(duì)輸出特性的動(dòng)態(tài)影響,發(fā)現(xiàn)移動(dòng)質(zhì)量塊能夠通過(guò)改變橋式壓電梁結(jié)構(gòu)的諧振頻率和與壓電梁發(fā)生沖擊,提升橋式能量收集裝置的電壓輸出。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM619
【圖文】：

重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文1.2 電式振動(dòng)能量采集裝置國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀壓電振動(dòng)能量采集技術(shù)涉及機(jī)械、力學(xué)、材料、電子等諸多學(xué)科，引起了眾多不同領(lǐng)域研究人員的關(guān)注。縱覽壓電振動(dòng)能量采集器的研究歷史，研究人員都在不斷嘗試多種結(jié)構(gòu)，不同的壓電材料，更高效的接口存儲(chǔ)電路，提高能量轉(zhuǎn)化效率，獲得最佳的能量采集性能。1.2.1 壓電能量采集器的結(jié)構(gòu)對(duì)壓電能量采集器結(jié)構(gòu)的研究是這一領(lǐng)域的熱點(diǎn)。通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)實(shí)際使用需要來(lái)不斷調(diào)整壓電能量采集器的性能特點(diǎn)。壓電能量采集器大多采用了懸臂梁式結(jié)構(gòu)。懸臂梁式壓電能量采集器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易產(chǎn)生相對(duì)較大的應(yīng)變，因此得到了廣泛地設(shè)計(jì)和研究。常用的懸臂梁結(jié)構(gòu)分為單晶片和雙晶片，如圖 1.1 所示。單晶懸臂梁式壓電能量采集器由一層金屬基板和一層壓電陶瓷晶片構(gòu)成；雙晶懸臂梁式壓電能量采集由一層位于中間的金屬基板和兩側(cè)的壓電陶瓷晶片構(gòu)成。

懸臂梁式壓電能量采集器由一層金屬基板和一層壓電陶瓷晶片構(gòu)成；雙式壓電能量采集由一層位于中間的金屬基板和兩側(cè)的壓電陶瓷晶片構(gòu)成(a) 單晶片 (b) 雙晶片圖 1.1 壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)Fig.1.1 Structure of the piezoelectric cantilever懸臂梁結(jié)構(gòu)的共振頻率往往遠(yuǎn)高于外部環(huán)境的激勵(lì)頻率，所以通常會(huì)在動(dòng)端增加一個(gè)質(zhì)量塊，使共振頻率降低[5-6]，提高其使用效率。Elvin[7]等電材料制作了簡(jiǎn)支彎曲梁，將結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的機(jī)械應(yīng)變能轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)現(xiàn)測(cè)系統(tǒng)的全周期自我供電。Jeon[8]等人研制了一種基于 MEMS 技術(shù)的 P膜能量采集器，如圖 1.2 所示。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

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相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

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本文編號(hào)：2727338