多功能低频压电式能量采集器的设计与研究

摘要

压电能量收集技术近年来取得快速发展并成为微能源研究领域的前沿热点，为解决微型低功耗电子器件的电源供能问题提供了一种可行的思路和方法。但现有的传统压电悬臂梁式采集器只具有单方向上的振动敏感性，对环境中存在的多方向多运动形式的机械能量进行压电采集基本是不可行的。
　　针对传统压电悬臂梁式采集器存在的缺陷不足，本文设计了一种多功能压电滚轴-悬臂梁式采集器，能够实现水平、垂直两正交方向上的振动能量采集和沿导轨滚动方向上的摆动能量采集。本文主要对多功能压电采集器进行了振动能量和摆动能量采集研究，具体的工作内容如下：
　　在振动能量采集方面：主要研究了压电多功能采集器在垂直方向上振动能量的采集。而水平方向上的振动能量采集和沿导轨滚动方向上的摆动能量采集的采集效果是一样的，所以本文中没有详细的阐述。首先对采集器的物理结构模型进行了理论建模，模拟仿真了采集器在谐振状态下的开路发电特性；然后又对采集器发电系统的瞬态发电过程和稳态发电过程进行了解析分析和模拟仿真；最后搭建实验平台，对采集器的开路发电特性和系统发电特性进行了实验验证，对比结果表明了采集器的理论建模和仿真分析的正确性。
　　在摆动能量采集方面：首先，对摆动能量采集器进行了耦合集中参数结构建模，模拟仿真了采集器在摆动采集过程中的开路输出电压形式和系统储能电容的瞬态充电过程。然后，设计了实验系统的软、硬件，并搭建了摆动实验平台，对采集器输出的开路压电电压和储能电容两端的充电电压进行了实验测量，得出实验结果和模拟仿真结果是基本一致的。最后将实验测量的数据经过整合处理，具体分析了滚轴的初始出发位移、摆动角度、摆动频率对采集器输出开路电压的影响。

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第一章 绪论

1.1课题背景

1.2压电能量收集技术的国内外研究现状

1.3本文研究目的和主要工作

1.4本章小结

第二章 压电能量采集技术的基本理论

2.1压电材料

2.2压电振子

2.3压电悬臂梁

2.4本章小结

第三章 压电多功能能量采集器的结构设计与分析

3.1传统压电悬臂梁式结构分析

3.2多功能压电滚轴-悬臂梁式结构的设计简介

3.3多功能压电滚轴-悬臂梁式结构的工作原理

3.4本章小结

第四章 振动能量的压电采集特性研究

4.1采集器设计和工作原理介绍

4.2采集器的开路发电特性研究

4.3采集器的系统发电特性研究

4.4实验的平台搭建与结果测量

4.5本章小结

第五章 摆动能量的压电采集特性研究

5.1采集器结构与工作原理介绍

5.2采集器理论建模及发电特性研究

5.3实验的平台搭建与结果测量

5.4采集器X方向上振动能量的压电采集分析

5.5本章小结

第六章 总结与工作展望

6.1工作总结

6.2研究工作展望

参考文献

致谢

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