压电及电磁振动能量回收结构的特性研究

论文摘要

大规模高集成度电路的广泛应用极大地减小了微电子系统的物理尺寸,显著降低了系统功耗,也由此引领了基于低功耗器件的科研热潮。现今,无线型低功耗器件已经投入了广泛的应用,通常电池是这些器件的驱动能源。然而由于器件数量的急剧增加和物理尺寸的减小,增加了电池的更换工作,甚至在某些条件下,电池的更换工作无法完成。因此,寻求一种可行的,通过收集和转化周围环境能量而实现对低功耗器件供能的方法,建立一个独立的微型化的低功耗电源系统,是十分必要的。通过查阅大量关于潜在能量利用的文献资料,并对比各种方法的能量回收效率,得到的结论是：通过适当方法,建立合理模型,以实现收集周围环境振动能量转化为电能的方法具有一定的现实意义及应用价值。确定基于压电及电磁综合换能方式的换能器件作为研究重点,对其进行了精确地建模,并对模型进行仿真研究。设计搭建了压电及电磁振动能量回收装置,实验结果显示装置在100 Hz频率和加速度为2 m/s2的振动力输入情况下,能量密度约200μW/cm3,与单独压电或电磁换能结构相比较,综合结构能够输出更多能量。此外,实验输出与仿真结果具有良好的一致性,证明理论与研究方法的正确性,进而可为此类装置的设计提供理论依据。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 能源需求
• 1.2 国内外压电发电技术的研究现状
• 1.2.1 国外压电发电技术的发展
• 1.2.2 国内压电发电技术的发展
• 1.3 国内外电磁发电技术的研究现状
• 1.3.1 国外电磁发电技术的发展
• 1.3.2 国内电磁发电技术的发展
• 1.4 微发电技术的应用
• 1.5 本文的主要研究内容
• 2 理论基础
• 2.1 压电发电技术
• 2.1.1 压电效应
• 2.1.2 压电材料的应变模式
• 2.1.3 结构选择
• 2.2 电磁发电技术
• 2.2.1 法拉第电磁感应原理
• 2.2.2 电磁发电结构选择
• 2.3 本章小结
• 3 数学建模
• 3.1 压电方程
• 3.2 数学建模
• 3.2.1 压电发电结构数学模型
• 3.2.2 电磁发电结构数学模型
• 4 参数的仿真分析
• 4.1 压电陶瓷
• 4.2 悬臂梁结构参数的确定
• 4.2.1 仿真分析
• 4.2.2 常见的振动源
• 4.2.3 悬臂梁设计参数
• 4.3 电磁结构参数确定
• 4.4 本章小结
• 5 实验模型的搭建与研究
• 5.1 压电悬臂梁的制作
• 5.2 硬件系统的搭建
• 5.2.1 实验原理描述
• 5.2.2 实验硬件的选择与介绍
• 5.3 软件系统的设计
• 5.3.1 软件设计目标分析
• 5.3.2 虚拟信号发生器
• 5.3.3 数据采集程序设计
• 5.4 发电实验
• 5.4.1 系统阻尼比的测定
• 5.4.2 实验结果分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录A
• 附录B
• 附录C
• 附录D
• 作者简历
• 学位论文数据集