一种基于人体行走的压电俘能器的设计和研究

摘要

在过去的几十年里，随着微电子与微机电系统技术的迅速发展，无线传感器网络技术和便携式低功耗电子设备得到了广泛的应用。目前，这些设备依赖传统电池供电。电池由于存在多种缺陷，如体积大、能量密度低、寿命短、需频繁更换和污染环境等，其不仅不能满足微型低功耗电子产品对电源的需求，还限制这些电子产品的发展。利用微型能量收集技术，从环境中俘获能量被认为是解决供能问题的有效途径。在能量收集技术中，由于压电材料能够直接将机械能转换成电能，因而利用压电材料从人体行走中收集能量，有望解决或缓解便携式电子设备的能源供给问题。
　　本文基于上述背景，通过研究人体行走的特点，利用压电效应设计了一种用于从人体行走中收集能量的压电俘能装置，该装置主要由一个压电悬臂梁、一个顶梁、一个铁磁性小球和一个圆柱形套筒组成。该装置安装在鞋跟处，利用人体自身重力和行走为动力源，从足部的摆动、振动和足跟对地面的压力中收集能量，并产生持续的电能。围绕该压电俘能装置，本文的主要研究内容如下：
　　（1）阐述了课题背景、意义和国内外研究现状，引出本文的研究目的和意义；
　　（2）详细介绍了压电俘能技术的基础理论知识，并结合人行步态、压电效应、理论力学和机械振动基本理论，设计了压电俘能装置，建立了压电俘能装置的理论模型；
　　（3）对小球进行理论建模和运动过程的分析，确定小球的运动方式是无滑滚动；
　　（4）针对磁铁与小球和磁铁与磁铁间的非线性磁力，进行磁力模型建模，并通过实验和数值拟合得到不同情况下非线性磁力的公式；
　　（5）利用已有的加速度激励对该俘能器进行了理论仿真，初步验证了俘能器收集多种能量的可行性；
　　（6）基于该压电俘能器的理论研究成果，加工制作了俘能器的实物模型，并在跑步机上以2km/h、4km/h、6km/h、8km/h的恒定速度进行了实验探究，根据实验结果对该俘能器的性能进行分析。
　　通过实验测试发现，该俘能器具备频率提升功能，能够将人体行走时的低频振动转换成了压电悬臂梁的高频振动。在每一个步态周期中，由人体行走而产生的不同加速度激励可以叠加作用在俘能器上，并能够产生多个电压峰值。除此之外，俘能器的电压输出随着步行速度的增加而同步增加，当工作在8km/h时，该俘能器的均方根电压可以达到3.55V。

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第一章 绪论

1.1 课题背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究目的和主要工作

1.4 本章小结

第二章 压电俘能技术的基本理论

2.1 压电材料

2.2 压电效应

2.3 压电方程

2.4 压电振子

2.5 本章小结

第三章 压电俘能装置的结构设计与建模分析

3.1 人体行走运动的步态分析

3.2 压电俘能器的设计

3.3 磁力模型与磁力测量装置的设计与实验

3.4 小球运动模型

3.5 压电俘能器的建模与分析

3.6 压电俘能器的发电特性理论研究

3.7 本章小结

第四章 压电俘能器俘能特性研究

4.1 压电俘能装置

4.2 实验平台

4.3 压电俘能装置的实验研究

4.4 本章总结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

附录A

附录B

附录C

参考文献

致谢

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