基于压电悬臂梁的振动能量收集器的研究

摘要

随着无线传感网络技术和可携带器件的发展，电池供电成为其发展的瓶颈之一。为了获得无线生命周期的自主供电系统，利用周围环境的振动能转换为电能为电子器件供电成为亟待解决的问题。其中利用压电材料把振动能转换为电能越来越受到关注，成为微能量领域的研究热点。然而，目前存在的问题是，等效电路模型理论有待进一步完善；器件产生的输出电压较小，器件结构有待改进；收集电路及收集器件需进一步优化等。
　　 针对上述问题，本文首先研究了目前国内外压电振动能量收集的发展状况，就压电材料的类型、器件的结构、振动模式以及收集电路和器件进行了分析，比较了器件结构和收集电路各部分的优缺点，提出了压电振动能量收集器的研究内容。
　　 根据哈密顿变分原理，本文推导了压电单晶悬臂梁的振动方程，研究了其电特性，并在此基础上，对压电单晶悬臂梁产生的电能及负载功率作了定量研究。
　　 在上述理论基础上，通过ANSYS有限元分析软件对压电单晶悬臂梁进行了静力学和动力学分析。静力学方面主要研究了压电陶瓷和基板材料的尺寸对输出电压的影响，为器件结构的优化设计奠定了理论基础；动力学方面主要研究了压电悬臂梁的自然频率、振型以及谐响应，为后续的测试分析提供了有效指导。
　　 根据上述理论研究，本文建立了能量收集测试系统，就压电单晶片悬臂梁的尺寸结构对输出电压的影响进行了测试和仿真对比，结果取得了较一致的结论。由尺寸为的基板和尺寸为压电陶瓷片构成的压电能量产生器，在激振频率为，加速度为，负载电阻为时，能够产生峰峰值为的电压，收集的能量。接着就电解电容器、超级电容器和可充电电池的存储特性进行了分析比较，然后对器件结构进行了改进，分别设计了压电双晶片和多片叠层结构，并进行了实验研究，由尺寸为的基板和尺寸为的压电双晶片并联连接构成的能量产生器，在激振频率为，加速度为，负载电阻为时，能够产生峰峰值为的电压，收集的能量。这表明，双晶片比单晶片能较大地提高输出电压和功率。另外，实验表明，多片叠层结构则能较大的提高输出电流和能量，这为无线传感网点和可佩戴器件供电提供了应用的前景。
　　 最后，对全文工作进行了总结，并对下一步研究计划进行了展望，提出了新的研究思路。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪 论

2 压电振动能量收集器的理论研究

3 压电悬臂梁的有限元仿真分析

4 压电振动能量测试和收集系统分析

5 总结与展望

致 谢

参考文献

附录