压电俘能/储能系统的非线性动力学行为分析与优化

论文摘要

无线供能是现代传感技术向微型化和集成电路化发展所需突破的“瓶颈”问题之一。在已有的几类无线供能技术中,压电俘能最具有发展前途,这是因为压电材料天然的力电耦合效应,可以实现力学量与电学量之间相互转换,并且其在转换过程中的电能损耗极小。本论文针对压电俘能技术这个多学科交叉问题,开展了大量的压电俘能/储能系统的非线性耦合作用及关键动力学行为研究,从整体角度对压电俘能器进行了全局优化,取得一系列创新性成果,具体体现在:1.跨越结构分析与电路设计等多个学科建立了关于压电俘能/储能系统的非线性耦合作用模型,重点研究了压电结构在非线性电路开、闭路交替作用下的动力学性能,揭示了多时间尺度之间的相互作用规律以及电路影响压电结构动力特性的作用机制,从而实现了压电俘能器的整体分析和全局优化。2.揭示了外载型式和环境温度对压电俘能器性能的影响机制,提出了频率控制与温度补偿策略,使得压电俘能器具备环境适应能力。尤其是为了让俘能器能从多频环境振动中更有效地提取能量,我们提出了具有变频功能的压电俘能结构,分析结果显示:这种压电结构从易变环境振动中所提取的能量可以达到没有变频功能压电结构所获能量的数倍之多。另外,我们还通过增设温度补偿层消除了压电俘能器由温度变化所引起的频率漂移,计算结果表明通过适当设计器件层与补偿层的厚度比就可以消除频率漂移,从而保证了俘能结构的温度稳定性。3.研究了在共振状态下工作的压电俘能器非线性特征,揭示了输出电流和功率密度在共振附近的多值与跳跃本质,确定了外载与外负载等对压电俘能器非线性性态的影响规律。4.研究了压电结构表面电极对器件整体性能的影响机理,提出了两种新颖的电极优化设计方案,明显降低了电极边缘的应力和电场集中现象,从而大大提高了压电俘能器安全可靠性。本文突破了多个在压电俘能技术综合分析和实际应用中的重点难点问题,开创性地提出了多种性能远超传统俘能器件的新型压电俘能器模型,得到了一系列适用于不同俘能器模型的优化方法和结论。这些成果不仅对压电俘能器整体性能的提升具有重要的指导意义,同时开展这样的研究还可以进一步地促进学科的交叉与渗透。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景和研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本论文研究内容
• 2 压电俘能器的非线性多时间尺度耦合分析
• 2.1 引言
• 2.2 压电俘能器的基本架构
• 2.3 压电俘能器分析及设计关键
• 2.4 针对较强振源的压电俘能器
• 2.5 具有环境振动强度适应能力的压电俘能器
• 2.6 小结
• 3 具变频功能的压电俘能器
• 3.1 引言
• 3.2 轴向预应力偏场变频俘能器
• 3.3 多频梁型压电俘能器阵
• 3.4 小结
• 4 压电俘能器件中的温度补偿技术
• 4.1 引言
• 4.2 摄动方法
• 4.3 温度引起的偏场
• 4.4 无扰动厚度振动模态分析
• 4.5 频率漂移
• 4.6 数值计算与结果分析
• 4.7 小结
• 5 共振状态下压电俘能器的非线性动力行为
• 5.1 引言
• 5.2 圆板型压电俘能器的非线性动力行为
• 5.3 厚度剪切型压电俘能器非线性动力行为
• 5.4 小结
• 6 电极设计对压电器件性能的影响
• 6.1 引言
• 6.2 电极的边角应力集中问题
• 6.3 变厚度电极能量阱效应
• 6.4 小结
• 7 结论与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 压电材料及其相关参数
• 附录2 充电电池
• 附录3 温度补偿材料的相关参数
• 附录4 攻读学位期间发表的学术论文及所作学术报告
• 附录5 攻读学位期间申请专利及参加项目