分形压电振动换能器及能量采集电路的研制

摘要

环境中的机械振动无处不在，针对环境中振动机械能的采集和利用技术逐渐兴起，用振动换能器来替代或减少传统化学电池的使用极具实际意义。但是，传统的振动换能器都存在采集能量功率密度低、带宽窄的问题。利用分形结构自相似性的特点，以分形压电振子代替传统的单一形状压电振子，可以拓宽能量采集带宽，提高能量采集密度。本文使用压电陶瓷材料制作了压电振子，设计了一种以LTC3108芯片为基础的能量收集电路，并对压电振子的输出特性进行了测试。本文工作具体表现在以下几个方面：
　　1、分析了分形压电陶瓷振子的性能。具有三层自相似结构的分形压电振子存在三个主频不同的共振频率，能够有效地增大能量采集装置的带宽，还可以有效地提高器件的空间利用率和能量采集密度。
　　2、通过有限元计算方法对所设计的分形压电振子的模态特性和输出谐响应频率进行分析。对每个层次分形压电振子的谐振频率进行计算，同时通过扫频探究各层次压电振子应变和输出电压随频率的变化。通过仿真结果可知，该压电振子随着分形层次的增加，能够采集的振动频率范围变宽，同时能量采集密度增加，输出电压变大制作了基于压电陶瓷材料的分形振动换能器，并就不同负载对压电振动换能器的输出功率的影响做了分析。
　　3、设计并制作了以LTC3108芯片为基础的能量收集电路，并对制作的分形陶瓷压电振子进行了输出电压和输出功率的测试。实际输出电压分别为2.2V、3.1V、4.0V和4.8V，与设计值2.35V，3.3V，4.1V和5V基本一致。通过实际测试，测得负载两端电压为1.60V，流过电流为0.52mA，表明该压电振子的输出功率达到了毫瓦级。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 振动换能器的研究背景

1.2 振动能量采集原理及方式

1.3 压电式能量采集技术现状

1.4 本文主要研究内容

第二章 相关理论基础

2.1 分形理论

2.2 压电材料

2.3 悬臂梁结构理论基础

2.4 本章小结

第三章 分形压电振动换能器的设计与分析

3.1 分形振动换能器的结构

3.2 有限元仿真分析

3.3 分形压电振动换能器的特性分析

3.4 分形压电振动换能器的实验与分析

3.5 本章小结

第四章 压电收集管理电路的设计与分析

4.1 压电能量收集概述

4.2 压电能量收集电路

4.3 LTC3108能量收集电路的实验与分析

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

附录1 程序清单

附录2 攻读硕士学位期间撰写的论文

致谢