【摘要】：氣動技術(shù)因具有高效、安全、低成本等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化生產(chǎn)等領(lǐng)域。由于氣動系統(tǒng)工況復(fù)雜、狀態(tài)參量多,往往需要采用多種傳感器對系統(tǒng)的壓力、流量、溫度及位置等參數(shù)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集與狀態(tài)檢測。為解決氣動系統(tǒng)傳感器供能的問題,本文將開展密閉容腔氣體載荷激勵下盤型壓電俘能器研究工作,利用壓電材料具有的結(jié)構(gòu)簡單、能量密度高、易安裝等特點,研制適用于工業(yè)高壓氣體激勵環(huán)境的壓電俘能器。論文分析了盤型壓電片在高壓氣體載荷激勵下的發(fā)電機(jī)理,建立盤型壓電單晶片的數(shù)學(xué)模型,理論研究了雙模量壓電單晶片在高壓氣體載荷的作用下的撓曲形變,以及形變量與電能轉(zhuǎn)化的關(guān)系。通過ANSYS仿真軟件分析不同尺寸、厚度的盤型壓電片的發(fā)電特性。結(jié)合理論分析結(jié)果研究高壓氣體激勵下壓電俘能器原理型樣機(jī)的俘能特性。開展單腔壓電俘能器的設(shè)計,確定俘能器的結(jié)構(gòu)和尺寸。然后搭建了實驗樣機(jī)電壓輸出特性測試系統(tǒng),通過LabVIEW搭建軟件系統(tǒng),對單腔壓電俘能器的輸出特性進(jìn)行實驗研究與分析。在單腔俘能器的基礎(chǔ)上模擬復(fù)雜氣體載荷環(huán)境,開展渦流激勵壓電俘能器和交變氣體載荷下壓電俘能器的研究工作。理論分析渦流場形成機(jī)理,假設(shè)密閉容腔內(nèi)部高壓氣體環(huán)境為剛性流動,通過建立數(shù)學(xué)模型分析渦流轉(zhuǎn)動慣量與存儲能量之間的關(guān)系,研究氣體速度矢量分布對缸筒壁面的慣性作用力,從而指導(dǎo)耦合容腔壓電俘能器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。仿真分析耦合容腔內(nèi)部渦流形成規(guī)律及分布狀態(tài)。利用FLUENT流體仿真軟件對不同尺寸耦合容腔內(nèi)部流場進(jìn)行分析,設(shè)計耦合容腔實驗物理樣機(jī)并搭建實驗測試系統(tǒng),通過實驗手段研究不同渦流狀態(tài)下的壓電俘能特性,通過外接負(fù)載電阻分析俘能器電阻匹配關(guān)系,研究不同氣體參數(shù)對俘能器能量轉(zhuǎn)化效率的影響。實驗結(jié)果表明渦流可提高壓電俘能器能量轉(zhuǎn)化效率。定質(zhì)量分?jǐn)?shù)氣體是密閉壓縮環(huán)境的一種特殊情況,通過建立壓縮容腔數(shù)學(xué)模型,理論分析氣體壓縮過程對壓電俘能器的影響規(guī)律,設(shè)計定質(zhì)量分?jǐn)?shù)壓電俘能器結(jié)構(gòu)并加工實驗樣機(jī),搭建實驗測試系統(tǒng),研究俘能器的電能轉(zhuǎn)化特性。最后開展氣動工況下壓電俘能器實驗研究,設(shè)計氣動工況下壓電俘能器實驗樣機(jī)并對樣機(jī)性能進(jìn)行測試。本課題通過理論分析、數(shù)值模擬與實驗研究的手段深入分析了多種密閉環(huán)境的氣動壓電俘能特性,該研究可為解決氣動無線傳感自供能提供理論與實驗基礎(chǔ)。
【圖文】：

研 究 生 學(xué) 位 論 文第 1 章 緒 論1.1課題來源與研究意義課題來源于吉林省科技發(fā)展計劃項目“精密壓電超聲驅(qū)動技術(shù)研究團(tuán)隊專利示范培育”，項目編號：20150312006ZG；吉林省科技發(fā)展計劃項目（重點科技攻關(guān)），“鉭電解電容器超聲減摩輔助成型壓制關(guān)鍵技術(shù)研究”，項目編號：20160204054GX。氣動技術(shù)因具有高效、安全、低成本等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化生產(chǎn)等領(lǐng)域由于氣動系統(tǒng)工況復(fù)雜、狀態(tài)參量多，往往需要采用多種傳感器對系統(tǒng)的壓力、流量溫度及位置等參數(shù)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集與狀態(tài)檢測[1]。隨著《中國制造 2025》中為實現(xiàn)工業(yè)系統(tǒng)全面無線化、智能化發(fā)展戰(zhàn)略的提出，大量的無線傳感器被引入到氣動系統(tǒng)用以實現(xiàn)對氣動執(zhí)行元件的實時監(jiān)測與反饋，圖 1-1 為智能無線化氣動系統(tǒng)示意圖[2]

身能量進(jìn)行電能轉(zhuǎn)化，并通過整流電路將電能進(jìn)行存儲，用壽命。論文利用壓電元件在高壓氣體載荷激勵下產(chǎn)生機(jī)械變形，力能進(jìn)行俘獲的新型壓電俘能器。本文將進(jìn)行密閉容腔氣與實驗研究工作，利用壓電材料具有的結(jié)構(gòu)簡單、能量密適用于工業(yè)高壓氣體沖擊環(huán)境的壓電俘能器并進(jìn)行理論與系統(tǒng)微能源俘獲研究提供一定的技術(shù)支持。研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)分析是電介質(zhì)材料中一種機(jī)械能與電能互換的現(xiàn)象。壓電效應(yīng)電效應(yīng)。壓電效應(yīng)在精密驅(qū)動、微能源收集和傳感器等領(lǐng)1-2 所示為壓電效應(yīng)原理示意圖，壓電效應(yīng)的原理即對壓電會有電荷溢出，，反之施加電壓則產(chǎn)生機(jī)械形變。因氣體介染等特點，通過利用壓電材料對環(huán)境中氣體介質(zhì)的能量進(jìn)集研究領(lǐng)域的熱點之一。
【學(xué)位授予單位】：長春工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TH138;TM619

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2522625