大型旋转体表面风致振动压电能量收集研究

摘要

利用无线传感器节点监测矿井提升系统关键旋转体（滚筒、天轮）的运行状态，是对提升系统典型故障进行检测的新途径，但是传感器节点的寿命短是应用该方法的瓶颈问题。为了满足布置于大型旋转体表面节点供电以及低功耗的要求，本文开展了大型旋转体表面风致振动压电能量收集研究。首先，为了找到适合于大型旋转体工况的压电片安装方式，研究了压电片的固定方式、调整方式对其发电性能的影响；其次，为了对大型旋转体表面上的节点进行供电，设计了一种风致振动压电能量收集装置，并通过实验验证了其可行性；最后，为了降低大型旋转体表面监测传感器节点的功耗，提出了两种高效能量管理策略，并对其进行了对比试验分析。
　　本研究主要内容包括：⑴介绍了压电材料的基本理论，为后续的研究做好铺垫。⑵利用软件仿真和实验对压电片在悬臂梁、简支梁两种固定方式下的发电性能进行了分析，讨论了不同固定方式下长宽比、重物块质量等参数对压电片固有频率的影响。结果表明：悬臂梁固定方式适合用于大型旋转体表面风致振动压电能量收集装置。⑶结合大型旋转体的运行工况，设计了一种利用卡门涡街效应的风致振动压电能量收集装置；得出了装置在旋转体转速、阻挡物直径、固定角度等条件下发电电压的变化情况；通过ANSYS软件对压电片进行了受力分析，得出压电片在工作状态下的应力分布情况以及最大应力随不同转速和阻挡物直径变化的情况；根据理论模型及矿井提升机滚筒运动参数搭建了风致振动压电能量收集装置实验台，结合理论分析内容进行了相应实验。结果表明：所设计的能量收集装置在旋转体转速达到145r/min时产生1mW左右的功率输出；相比调整圆柱形阻挡物直径，调整装置的安装角能更加有效地增大能量收集装置的输出功率。⑷分析了大型旋转体表面监测传感器节点的能耗管理需求；提出了基于信号幅值检测的主动式调频策略和适应大型旋转体运行状态的被动式调频策略；通过对比试验，分析了两种调频策略的性能。结果表明：两种策略均可实现功耗管理；在发送频率达50Hz时，被动式调频策略下的节点功耗比主动式调频策略下的功耗小6.8%。

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.2 国内外研究现状（Research Status at Home and Abroad）

1.3 论文主要研究内容（Main Contents of This Thesis）

2 压电能量采集技术理论基础

2.2 压电材料性能参数介绍（Performance Parameters Introduction of Piezoelectric Material）

2.3 本章小结（Conclusion of This Chapter）

3 适应大型旋转体表面风致振动的压电片固定方式

3.1 压电片发电性能仿真模型及实验设计(Simulation Model of Piezoelectric Power Generation Performance and Experiments Design)

3.2 简支梁固定方式下压电片发电性能分析（Power Generation Performance Analysis of Piezoelectric Patch under Simply Supported Beam Fixation Mode）

3.3 悬臂梁固定方式下压电片发电性能分析（Power Generation Performance Analysis of Piezoelectric Patch under Cantilever Beam Fixation Mode）

3.4 压电 片固定方式 选择 (Fixation Mode Selection of Piezoelectric Patch)

3.5 本章小结(Conclusions of This Chapter)

4 大型旋转体表面风致振动压电能量收集装置

4.2 能量收集装置性能理论分析(Theoretical Analysis of Energy Harvester Performance)

4.3 压电能量收集装置性能实验分析(Experimental Analysis of Piezoelectric Energy Harvester Performance)

4.4 本章小结(Conclusions of This Chapter)

5 大型旋转体表面监测节点能量管理策略

5.2 适用于大型旋转体运行工况的节点能量管理策略设计（ Design of Node Energy Management Machanism Applied in Large Rotational Body）

5.3 能量管理策略性能分析(Performance Analysis of Energy Management Mechanism )

5.4 本章小结（Conclusions of This Chapter）

6 总结与展望

6.2 展望(Outlooks)

参考文献

作者简历

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