论文摘要
如何在不用导线或电缆的情况下对获取的装备状态信号进行有效传输是当前监控领域一个重要的研究方向,而无线传感器网络的兴起为此带来了契机。对无线传感器来说,供电问题是制约其应用的瓶颈问题之一,而传统的电池供电方式存在装拆不方便、需定期更换、维护费用高等缺点,迫切需要一种能为无线传感器进行永久供电的新技术。近些年来,能量捕获技术成为状态监控领域研究的一个前沿课题,它将设备或周围环境中的其它能量转为电能,对实现无线传感器的自供电具有重要意义和应用价值。对于装备而言,工作时持续的机械振动就是一种很好的能量源。为此,论文在部委级科研项目、装备预研基金项目和国家自然科学基金项目资助下,深入开展了基于压电陶瓷的振动能量捕获关键技术研究,分析了悬臂梁压电振子振动发电的机理,建立了悬臂梁压电振子理论及有限元模型,并进行了发电行为的仿真分析和实验验证。论文主要内容包括:1.广泛调研了基于压电陶瓷的振动能量捕获技术国内外研究现状,在此基础上分析和归纳了其中需要解决的关键技术,确定了论文的研究思路。2.以悬臂梁压电振子为对象,深入分析了压电振子振动发电的机理,建立了振动发电的数学模型,为有限元仿真和实验研究提供了理论基础;针对矩形压电振子存在应力集中、没有充分利用的问题,对不同形状压电振子的发电能力进行理论分析。分析表明,在相同的条件下三角形悬臂梁压电振子表面应变分布较均匀,产生的电压最大,梯形压电振子次之,矩形压电振子的最小。3.采用有限元分析方法,建立了悬臂梁压电振子的有限元模型,进行了静力学和模态分析,得到了悬臂梁压电振子各参数及外加质量块对其发电量及固有频率的影响规律;并对不同形状的悬臂梁压电振子的发电行为进行了有限元仿真。仿真结果与理论分析定性一致,为压电振子的优化设计提供了理论指导。4.构建了悬臂梁压电振子振动发电研究实验台,设计了振动发电转换和存储电路,并对悬臂梁压电振子的振动发电行为进行了详细实验研究,实验数据分析结果验证了理论分析和有限元仿真的正确性。总之,论文从理论分析、有限元仿真和实验研究三个角度对悬臂梁压电振子的振动发电行为进行了深入研究。得到了压电振子各参数及质量块对产生电压及固有频率的影响规律,研究了不同形状压电振子发电能力,为无线传感器自供电研究与应用做出了重要探索。