低频激励柔性压电器件的大变形能量收集理论研究

摘要

低能耗电子器件如无线传感器、可穿戴电子设备和植入式医疗器件等在结构健康监测、人体生理监测及健康医疗和物联网等诸多领域有广泛的应用。相比于蓬勃兴起的电子技术，器件供电技术相对滞后并成为制约发展的瓶颈。例如可穿戴电子设备一般需要每天充电，而数目庞大且分布扩散的传感器系统的电池更换耗时耗力，对植入式医疗器件进行电池更换甚至需要二次手术。收集环境能量如太阳能、热能、风能、水能及环境振动能为这些低能耗微电子器件供电是解决供电技术滞后问题的重要突破口。压电材料可以将环境中的振动能如建筑结构振动、路面形变及人体运动转化为电能进行能量收集，而且比较方便和这些微电子器件结合，因此备受科研人员的关注。柔性无机压电器件具有良好的力学形变能力和电学性能，在能量收集领域有很大的应用潜力，然而存在着诸多问题亟待解决。 本文主要针对低频环境激励下薄膜式柔性无机压电器件的大变形能量收集问题开展理论研究，建立能量收集模型并提出系统设计优化准则，分析器件在多频、多向环境激励及变形受阻情况下的变形及能量转化效率，并使用能量储存电路考察了电能储存问题。 本文的主要研究内容具体如下： 建立柔性压电器件低频大变形周期加载下的能量收集理论模型，对比文献中的实验结果得到功率与加载幅值、激励模式、加载频率和外接电阻等参数的依赖关系，并分析了动态效应的影响。理论和实验结果的电压和功率等吻合良好，验证了能量收集理论模型的有效性。 使用尺度律法分析发现无量纲功率密度（无量纲有效电压、无量纲有效电流）仅与系统固有参数及加载模式相关，从而得到整个能量收集系统的整体优化准则及各个参数对系统输出的定量影响；在此基础上研究了环境非简谐复杂波形激励模式对能量收集功率的影响，并使用该方法分析了在两种交通工况下压电片尺度对交通荷载压电能量收集功率密度的影响。 分析在单一方向应变和复杂平面应变加载下柔性压电器件固定方向不同时的能量收集功率，得到器件在复杂多向应变下最优器件固定角度的确定方法。使用该方法并结合医学数据分析了心脏心动能量收集中器件黏贴方向对输出电压和功 率的影响，和实验结果吻合较好。 建立柔性压电器件后屈曲变形受阻时的能量收集模型来模拟现实环境对柔性器件大变形的弹性介质约束及有限变形空间刚性约束，得到削弱约束效应准则从而增强了器件能量收集功率。 使用电路仿真模拟软件分析储能电路的储能效率，并和能量转化效率进行对比，发现标准储能电路的储存能量仅为转化能量的15%左右。 本文从系统整体优化、多频多向环境激励、弹性刚性环境约束和压电能量储存等方面分析了柔性无机压电器件的大变形能量收集问题，为该类器件的理论研究和工程应用提供指导和参考。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 绿色能量收集

1.2.1 绿色能量收集概述

1.2.2 绿色能量收集技术现状

1.2.3 环境振动能量收集及应用

1.3 压电器件能量收集技术

图1.7 “压电能量”主题每年发表的文章数量

1.3.1 压电材料的基本概念、发展历程、分类和应用

1.3.2 压电本构关系及参数物理含义

1.3.3 传统压电能量收集结构与应用

1.4 柔性压电器件及其能量收集应用

1.4.1 柔性器件的发展历程、力学实现及应用

1.4.2 柔性压电器件的能量收集进展

1.4.3 当前存在的主要问题

1.5 本文的主要工作

第2章 柔性压电器件低频大变形能量收集理论建模

2.1 引言

2.2 拟静态力电耦合建模

2.2.1 器件变形的力学分析

2.2.2 器件的电压及能量收集功率

2.3 算例分析

图2.7 第一组器件机械加载实验及激励模式图[127]

图2.8 第二组器件机械加载实验及激励模式图[100]

表2.1 器件的几何尺寸及材料参数

图2.9 柔性压电系统的瞬态、稳态和全态输出电压示意

图2.10 第二组器件机械加载电压输出结果[100]案例示意

图2.11 第一组器件理论与实验输出功率[97, 127]对比

图2.12 第二组器件理论与实验输出功率[100]对比

2.4 动态效应影响的讨论

表2.2 器件的各阶固有频率

图2.13 动态效应对输出电压的影响

2.5 小结

第3章 柔性压电器件低频能量收集功率优化设计

3.1 引言

3.2 能量收集尺度律

3.3 器件一体化设计

图3.2 无量纲电压随着系统固有参数RωCP变化

图3.3 无量纲电流随着系统固有参数RωCP变化

图3.4 无量纲电流随着系统固有参数RωCP变化

图3.6 无量纲功率随着系统固有参数RωCP变化

图3.6a 无量纲功率随着系统固有参数RωCP变化

表3.1 器件各层材料的的厚度及弹性模量[127]

3.4 激励模式对能量收集功率的影响分析

3.4.1 基于尺度律方法的理论计算分析

3.4.2 移动荷载下压电能量收集系统优化

3.5 小结

第4章 多向加载下的柔性压电器件能量收集

4.1 引言

图4.1 柔性器件一端受到非均匀加载示意

图4.2 柔性压电器件（材料）主方向与柔性材料变形加载方向不同时的示意图

图4.3 柔性压电器件黏贴于不均匀应变柔性材料表面

4.2 单向加载下器件方向的影响分析

图4.4 器件黏贴方向和加载主轴方向重合

图4.5 器件黏贴方向和加载主轴方向存在夹角

4.2.1 单向加载下器件固定角度对电输出影响的理论分析

4.2.2 心脏表面纤维方向对器件输出电压的影响

4.3 多向加载下器件方向的影响分析

4.3.1 固定在心脏表面的器件端部加载

4.3.2 器件固定在心脏不同区域时的电压输出

4.4 结论

第5章 环境约束对柔性压电器件能量收集的影响分析

5.1 引言

5.2 环境弹性介质影响

5.2.1 纯压型线性强化弹簧模型

5.2.2 心脏周围软组织对柔性器件后屈曲变形的影响

5.3 有限空间刚性约束的影响

5.3.1 有限空间刚性约束模型

5.3.2 心脏周围硬组织对柔性器件后屈曲变形的影响

5.4 小结

第6章 压电器件能量收集-存储耦合设计

6.1 引言

6.2 常见的储能电路

图6.1 标准储能电路[183]

图6.2 同步开关电感电路SSHI[183]

图6.3 同步电荷提取电路SECE[183]

图6.4 双同步开关电路电路SECE[183]

6.3 简谐激励下标准储能电路的电路理论分析

图6.5 标准储能电路示意图

6.4 标准储能电路的仿真模拟

6.4.1 仿真软件可靠性验证

6.4.2 标准储能电路的线性化验证

6.4.3 外接电容大小对输出电压信号波动性的影响

6.4.4 标准储能电路的理论和仿真结果对比

6.5 电路仿真模拟结果的尺度律分析

图6.22 标准储能电路仿真输出尺度律分析

图6.23 标准储能电路充电时间尺度律分析

6.6 小结

第7章 总结与展望

7.1 全文总结

7.1.1 本文的主要工作及结论

7.1.2 本文的不足之处

7.2 工作展望

7.2.1 多种能量收集器件的协同工作

7.2.2 柔性压电器件在形变监测方面的潜在应用

参考文献

作者信息及科研成果