基于压电悬臂梁的环境振动能量获取方法的初步研究

论文摘要

振动能是自然环境中广泛存在的一种能量,振动式微型发电机可将其提取并转换为可直接使用的能源。其中,压电式微型发电机因其无需外界电源、较高的机电耦合特性和功率密度,而备受关注。此类发电机大多采用压电悬臂梁结构作为换能元件。压电悬臂梁结构具有构造简单,加工方便等优势,其谐振频率、结构尺寸以及材料特性是影响能量采集装置的适用条件和输出功率的重要因素。为制造出能够在自然环境下通用的且具有较高功率输出的能量采集装置,本文建立了压电悬臂梁振动能量采集装置的模型,并针对其关键部件——压电悬臂梁进行了理论分析与有限元仿真分析,包括其能量转换过程、谐振频率的求解方式等。并深入分析了压电悬臂梁结构的尺寸参数与谐振频率、输出功率之间的关系。利用多普勒测振仪测定了压电悬臂梁结构的谐振频率,并利用压电悬臂梁结构搭建起能量采集装置的实验平台。其实验结果为最终能够实现以振动能量作为微功耗器件、无线传感器结点的能源供给方案奠定了基础。本文的主要内容包括:1.介绍了振动式微型发电机,特别是压电悬臂梁结构的振动发电机的原理与研究现状,以及存在的问题。2.依据环境振动的特点,建立了以末端固定质量块的压电悬臂梁作为换能元件的振动能量采集装置的模型。对压电材料的特性、电流等效电路进行理论分析,并推导了压电悬臂梁结构谐振频率、能量采集装置输出电功率的方程。3.利用有限元分析软件ANSYS对压电悬臂梁结构进行分析。求解其谐振频率,并讨论了质量块、PZT层厚度、悬臂梁长度、宽度等因素对谐振频率和输出功率的影响。4.利用激光多普勒振动仪测量压电悬臂梁结构的谐振频率,验证对于压电悬臂梁结果理论分析与仿真实验结果的准确性。5.设计并调试信号放大电路、整流电路和升压稳压电路。对压电悬臂梁末端粘结质量块的结构进行随机振动测试和加载正弦振动信号的实验。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 微能源概述
• 1.2 环境中的振动能
• 1.3 振动式微型发电机研究现状
• 1.3.1 电磁式
• 1.3.2 静电式
• 1.3.3 压电式
• 1.4 压电悬臂梁式振动发电机
• 1.5 课题研究的意义及主要工作
• 第二章 压电悬臂梁振动能量采集装置的理论分析
• 2.1 压电材料介绍
• 2.1.1 压电现象与压电效应
• 2.1.2 压电方程组
• 2.1.3 d33 和d31 压电模式
• 2.1.4 常用压电材料分类
• 2.2 压电悬臂梁振动能量采集装置
• 2.2.1 两种压电悬臂梁结构
• 2.2.2 压电悬臂梁振动能量采集装置组成
• 2.2.3 压电悬臂梁层合梁模型
• 2.2.4 振动能量的获取
• 2.2.5 矩形压电悬臂梁结构的谐振频率
• 2.3 压电悬臂梁振动的其他分析方式
• 2.3.1 基于梁的理论的压电悬臂梁弯曲分析
• 2.3.2 基于能量守恒的压电悬臂梁弯曲分析
• 第三章 压电悬臂梁结构的有限元分析
• 3.1 有限元法理论
• 3.1.1 有限单元法的基本原理和基本思路
• 3.1.2 有限元分析流程
• 3.1.3 ANSYS有限元分析
• 3.1.4 压电耦合场分析
• 3.2 压电悬臂梁结构的仿真分析
• 3.2.1 压电悬臂梁尺寸参数及材料基本属性
• 3.2.2 压电参数定义
• 3.2.3 压电悬臂梁结构ANSYS模型建立
• 3.2.4 仿真结果分析
• 3.2.5 尺寸因素对结构谐振频率、电压、功率的影响
• 3.3 PZT单层悬臂梁的有限元仿真分析
• 3.4 层合压电悬臂梁结构有限元分析
• 第四章 测频实验设计及测量结果
• 4.1 测频实验平台的设计与搭建
• 4.1.1 激光多普勒振动计系统
• 4.1.2 测频实验平台的搭建
• 4.2 PZT单层悬臂梁谐振频率测量
• 4.3 压电层合梁结构谐振频率测量
• 第五章 振动能量采集实验
• 5.1 测量电路
• 5.1.1 三运放高共模抑制比放大电路
• 5.1.2 四路肖特基二极管阵列
• 5.2 能量存储电路
• 5.2.1 升压稳压电路
• 5.2.2 电能存储电路
• 5.3 电路实验与结果分析
• 5.3.1 电路各模块调试
• 5.3.2 压电悬臂梁能量采集装置整体调试
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢