悬臂梁式压电俘能器俘能性能的仿真与实验研究

论文摘要

随着微机电系统、便携式电子设备及无线传感器的广泛应用,如何向微电子产品供能已经成为当前研究的热点问题。由于传统的化学电池供能方式有明显的不足,比如电池能量有限,使用寿命短,环境污染以及需要定期更换等,迫切需要新的供能方式。研究人员开始致力于寻求在环境中提取能量为微电子产品供能的方法。压电发电装置具有俘能效率高、发热小、环境友好,无电磁干扰、易加工,便于微型化和集成化等诸多优点,具有良好的应用前景,逐渐成为研究热点。其中悬臂梁式压电俘能器结构简单,谐振频率低,与环境中的振动频率相接近,一般工作在谐振状态下,能输出较高的能量,因此本文以悬臂梁式压电俘能器为研究对象,针对其俘能性能进行了仿真分析和实验研究。首先对悬臂梁式压电俘能器进行了仿真分析,把压电俘能器等效为一个包括理想电压源、电阻、电感和电容的电源,并得出不同频率下的参数值。在此基础上,进行了负载阻抗的仿真分析,分析了负载阻抗为匹配的电阻、电容和电感时压电俘能器的最优输出功率;然后进一步分析了阻尼比对悬臂梁式压电俘能器俘能性能的影响。接着建立了单悬臂梁式压电俘能器、多悬臂梁式压电俘能器和多模态宽频压电俘能器的有限元模型,并分析了末端质量块对俘能性能的影响。然后通过ANSYS和Multisim仿真分析比较了三种悬臂梁式压电俘能器的俘能性能。最后,为了验证仿真分析的正确性,制作了多套悬臂梁式压电俘能器装置并搭建了实验系统。并利用激光测振仪和阻抗分析仪测量了各类压电俘能器的振动模态和阻抗特性,测量结果与仿真分析结果基本吻合。对各类压电俘能器进行了能量采集实验,求出了各类压电俘能器的匹配阻抗并比较分析了各类压电俘能器的俘能性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 压电发电技术的研究现状
• 1.2.1 压电效应
• 1.2.2 压电材料
• 1.2.3 压电振动模式
• 1.2.4 压电振子的连接方式
• 1.2.5 压电振子的结构形式
• 1.3 压电发电装置的应用
• 1.3.1 压电发电鞋
• 1.3.2 压电发光扇
• 1.3.3 压电微型风车
• 1.4 目前研究存在的不足
• 1.5 本课题研究的主要内容
• 第2章 压电俘能器等效电路的仿真分析和理论验证
• 2.1 压电俘能器仿真基本参数的确定
• 2.2 压电俘能器的等效电路模型
• 2.3 匹配阻抗的仿真分析
• 2.3.1 匹配电阻的仿真分析
• 2.3.2 匹配电阻与电容的仿真分析
• 2.3.3 匹配电阻与电感的仿真分析
• 2.3.4 匹配电阻、电容与电感的仿真分析
• 2.4 阻尼比对压电发电能力的影响
• 2.5 等效电路模型和相关研究结论的比较
• 2.5.1 单晶悬臂梁式压电俘能器等效电路模型的验证
• 2.5.2 双晶悬臂梁式压电俘能器等效电路模型的验证
• 2.6 本章小结
• 第3章 不同构型悬臂梁式压电俘能器的建模与仿真
• 3.1 单悬臂梁式压电俘能器的仿真分析
• 3.1.1 单悬臂梁式压电俘能器的结构参数
• 3.1.2 单悬臂梁式压电俘能器的模态分析
• 3.1.3 单悬臂梁式压电俘能器的谐响应分析
• 3.2 多悬臂梁式压电俘能器的仿真分析
• 3.2.1 多悬臂梁式压电俘能器的结构参数
• 3.2.2 多悬臂梁式压电俘能器的模态分析
• 3.2.3 多悬臂梁式压电俘能器的谐响应分析
• 3.3 多模态宽频压电俘能器的仿真分析
• 3.3.1 连续电极和分段电极单悬臂梁的比较
• 3.3.2 连续电极和分段电极多悬臂梁的比较
• 3.4 本章小结
• 第4章 悬臂梁式压电俘能器的实验研究
• 4.1 压电发电实验装置的建立
• 4.1.1 悬臂梁式压电俘能器的制作
• 4.1.2 实验平台的搭建
• 4.1.3 激振加速度的标定
• 4.2 悬臂梁式压电俘能器的振型测试
• 4.2.1 单悬臂梁式压电俘能器的振型测试
• 4.2.2 多悬臂梁式压电俘能器的振型测试
• 4.3 悬臂梁式压电俘能器的内阻抗测试
• 4.4 悬臂梁式压电俘能器能量采集实验
• 4.4.1 单悬臂梁式压电俘能器能量采集实验
• 4.4.2 多悬臂梁式压电俘能器能量采集实验
• 4.4.3 多模态宽频压电俘能器能量采集实验
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢