基于压电复合材料的振动能量捕获关键技术研究

摘要

无线传感器网络是近年来发展较为迅速的一种新型网络通信技术,具有功耗小、成本低、易实现等特点,应用前景非常广泛。然而传感器节点的供电问题一直是制约无线传感器网络应用的瓶颈问题之一。迫切需要一种能够解决无线传感器网络节点自供电的新技术。机械振动能是自然界普遍存在的能量。利用环境能量振动捕获技术产生的电能取代干电池向传感器节点供电是无线传感器网络研究的热点和前沿课题。压电式能量捕获装置利用压电材料的压电效应,能够将机械振动能转换为电能,这对解决传感器节点的自供电问题具有重要的学术意义和应用价值。本论文结合国家自然科学基金项目的研究内容,主要进行了基于压电复合材料的振动能量捕获关键技术的研究,研究内容包括:
　　1.在查阅无线传感器网络和振动能量捕获技术国内外研究现状基础上,分析了无线传感器网络的供电和能耗问题,归纳出其中急需解决的关键共性技术问题,进而确定了本文的研究思路。
　　2.通过对压电材料的分析,了解到压电复合材料以复合材料的加和性、组合性及乘积性具有其原两相材料所不具有的独特性能,分析了0-3型压电复合材料的性能特点,确定了本论文以0-3型压电复合材料作为压电式能量捕获装置的压电体。
　　3.以悬臂梁压电振子作为研究对象,深入分析了悬臂梁压电振子振动发电的发电机理,建立了振动理论模型,推导出悬臂梁压电振子各阶固有频率的计算公式,完成了模型结构参数与固有频率之间的关系分析;研究了压电振子机电转换原理,建立了压电振子发电理论模型,完成了模型参数与振子发电能力之间的关系分析,为仿真分析和试验研究奠定理论基础。
　　4.采用有限元法,通过ANSYS10.0有限元分析软件,建立了压电振子振动发电的有限元模型,进行了悬臂梁压电振子的静力学分析和模态分析,得出了悬臂梁压电振子参数与振子发电能力与固有频率之间的关系,并对不同尺寸的悬臂梁压电振子的发电能力进行了有限元分析,为设计最适合的悬臂梁压电振子提供了依据。
　　5.搭建了基于压电复合材料的悬臂梁压电振子振动发电试验平台,对悬臂梁压电振子的发电能力进行了试验研究,研究结果验证了理论研究与有限元仿真分析的正确性和有效性。
　　6.在此基础上,设计了能量转换和收集控制电路。在扫频信号发生器工作在1Vrms的持续电压、激振频率在100Hz的正弦波激振下,压电振子的输出电压稳定在+5V左右,能够满足无线传感器网络节点能耗的需要。
　　综上所述,论文从理论研究、仿真分析和试验研究三个方面对悬臂梁压电振子的振动发电能力进行了深入研究,设计的基于压电复合材料的振动能量捕获系统能实现无线传感器网络节点的自供电,并具有连续供电、环保节能、简单实用等优点,为振动能量捕获装置的设计提供理论依据,也是无线传感器网络节点利用环境能量解决自供电的理论研究与应用进行了有益的探索。

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第一章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 自然界的能量

1.3 机械振动能量捕获的几种方式

1.4 压电材料的发展概述

1.5 压电能量捕获装置的研究现状及应用

1.6 本文主要研究内容

第二章 压电材料的性能分析

2.1 压电效应

2.2 压电材料的性能参数

2.3 压电方程

2.5 本章小结

第三章 压电振子振动发电理论分析

3.1 压电振子

3.2 压电振子的外界条件

3.3 多片压电材料的联结方式

3.4 悬臂梁压电振子的振动理论及发电能力分析

3.5 本章小结

第四章 悬臂梁压电振子的建模与仿真分析

4.1 ANSYS10.0软件简介

4.2 ANSYS环境下悬臂梁压电振子的有限元分析

4.3 基于ANSYS10.0的悬臂梁压电振子的有限元分析

4.4 本章小结

第五章 悬臂梁压电振子振动发电与试验研究

5.1 试验台的设计

5.2 仪器的选型

5.4 试验内容

第六章 压电能量捕获装置能量调理与存储电路设计

6.1 电能存储方式

6.2 整流电路设计

6.3 滤波电路设计

6.4 稳压电路设计

6.6 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

附录A 部分试验数据结果

附录B 部分压电振子试验模态振型

致谢

个人简历及在学期间发表的学术论文