梁结构压电及压电电磁复合俘能器模型的建立与实验研究

摘要

随着集成电路的发展，电子设备的体积越来越小，呈现出微型化的发展趋势。而低能耗设计技术的发展又使得这些微电子器件工作所消耗的功率越来越小。如何实现为这些微型电子设备供能的研究得到人们广泛的关注。目前，无线传感设备多使用电池供能，但电池存在使用寿命短，更换费用高以及难以微型化等问题。替代能源的研究已成为当务之急。机械振动能作为一种潜在的替代能源，广泛地存在于人们的日常生活中。振动能与电能的转换方式主要有三种，静电式、压电式和电磁式。静电俘能器易于与MEMS集成，但其工作时需要外加激励电源，应用受到限制。相比于静电俘能器，压电和电磁俘能器均不需要外加激励电源。此外，压电俘能器具有功率密度高和容易制作的优点，电磁俘能器具有阻抗小、输出电流大的优点。目前，基于压电及电磁转换原理的振动俘能研究得到了国内外学者越来越多的关注。
　　在周围环境中，绝大多数振源频率是随机变化的，振源频率只有在接近或等于俘能器的固有频率时，俘能器才能高效地输出电能。而一旦振源频率远离俘能器的固有频率，俘能器输出功率将急剧降低。因此，在振动俘能研究中，如何拓宽俘能器的工作频带、增加功率输出一直是研究人员重点关注的问题。本文分别以分段电极悬臂梁压电俘能器、复合梁结构压电俘能器以及两自由度压电电磁复合俘能器为研究对象，通过对三种类型俘能器进行发电性能的理论建模、仿真比较和实验验证，研究了电极配置方式、结构形式以及不同发电原理复合对俘能器谐振频率和输出功率的影响关系，为如何改善梁结构压电及压电电磁复合俘能器发电性能提供了理论和实验依据。
　　悬臂梁结构在二阶及二阶以上弯曲振型时，沿梁长度方向上的应变符号发生改变，采用分段电极配置的方法可以避免聚集在压电梁电极表面的正负电荷相互抵消，增加俘能器的输出电量。当多端口输出的分段电极悬臂梁压电俘能器为同一个负载供能时，各分段电极需要分别整流输出。为了评估与标准整流电路相连的分段电极悬臂梁压电俘能器的输出功率，本文首先根据压电理论和Rayleigh-Ritz方法，建立了分段电极悬臂梁压电俘能器的数学模型，在此基础上，建立了分段电极悬臂梁压电俘能器的等效电路模型，并分别使用数学模型和有限元法获得了压电俘能器的等效电路参数。随后，使用 SPICE电路仿真软件评估了与标准整流电路相连的分段电极悬臂梁压电俘能器的多模态输出功率。最后，根据理论模型参数设计了实验样机，实验验证了理论模型的正确性，并通过与连续电极配置悬臂梁压电俘能器的最大输出功率进行比较研究，得出分段电极配置可以提高俘能器在高阶模态时输出功率的结论。
　　悬臂梁压电俘能器相邻的两个谐振频率相距较远，而具有接近谐振频率的俘能结构更适合在实际振动环境中俘能。当一个俘能器由多个相互连接的子结构复合而成时，通过合理选配结构参数，俘能器可以得到多个比较接近的谐振频率。本文建立了复合梁结构压电俘能器发电性能的数学模型，分析了压电悬臂梁与带中心质量块的两端固支金属梁的质量比以及固支梁自身阻尼比对压电梁谐振频率和输出功率的影响关系，并使用有限元软件进行了仿真比较研究。结果表明，随着质量比的减小，复合梁结构压电俘能器的两个谐振频率逐渐接近，谐振频率对应的峰值功率逐渐增加；随着固支梁阻尼比的增加，俘能器的输出功率逐渐减小。实验研究时，将压电单悬臂梁结构改成对称配置的压电双悬臂梁结构，避免了固支金属梁发生扭动现象，为理论模型正确预测系统性能提供了可能。最后通过实验验证了改进结构的合理性和理论模型的正确性。
　　除了对压电俘能器的发电性能进行研究外，本文还对一种两自由度压电电磁复合俘能器进行了发电性能研究。根据压电理论和电磁感应定律，建立了两自由度压电电磁复合俘能器发电性能的数学模型。基于实验测试得到的系统参数值，系统分析了质量比、固有频率比以及俘能器的机电耦和系数对压电片输出功率、线圈输出功率以及总功率的影响关系，为所提出模型的实际应用提供指导作用。结果表明，减小质量比或增加固有频率比都会增加两自由度压电电磁复合俘能器的第一个峰值输出功率。当压电或电磁俘能器的机电耦和系数较小时，相比于两自由度压电或电磁俘能器，两自由度压电电磁复合俘能器的总体发电能力更高；当压电或电磁元件的机电耦合系数接近或达到系统的最大机电转换能力时，额外附加机电转换器将不能改善系统发电能力。

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第1章 绪 论

1.1课题的来源及研究背景

1.2振动能与电能转换原理

1.3压电俘能器的研究现状

1.4压电电磁复合俘能器的研究现状

1.5当前研究存在的主要问题

1.6本论文的研究内容

第2章 分段电极悬臂梁压电俘能器发电性能理论建模及实验研究

2.1引言

2.2分段电极悬臂梁压电俘能器发电性能数学建模

2.3分段电极悬臂梁压电俘能器等效电路建模

2.4分段电极悬臂梁压电俘能器有限元建模

2.5等效电路模型理论验证

2.6使用有限元方法确定等效电路参数

2.7与标准整流电路相连的分段电极压电俘能器发电性能评估

2.8分段电极悬臂梁压电俘能器多模态俘能实验

2.9本章小结

第3章 复合梁结构压电俘能器发电性能数学建模及实验研究

3.1引言

3.2复合梁结构压电俘能器发电性能数学建模

3.3复合梁结构压电俘能器有限元仿真分析

3.4复合梁结构压电俘能器发电性能实验测试

3.5对称配置的复合梁结构压电俘能器发电性能数学建模

3.6本章小结

第4章 两自由度压电电磁复合俘能器发电性能数学建模及发电效果分析

4.1引言

4.2两自由度压电电磁复合俘能器发电性能数学建模

4.3理论模型的实验验证

4.4理论模型的参数化分析

4.5本章小结

结论

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文

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