【摘要】：壓電俘能器能夠直接將周圍環(huán)境中存在的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能,是目前能源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。壓電懸臂梁作為壓電俘能器中最為常見的結(jié)構(gòu)形式,具有相對(duì)較低的諧振頻率以及較高的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率。值得注意的是,只有當(dāng)其工作在諧振頻率附近時(shí),才能產(chǎn)生較高的發(fā)電性能。然而,我們生活周圍大多數(shù)振動(dòng)的頻率分布在次聲頻段,同時(shí)振動(dòng)的形式是多元的,其大小、方向具有波動(dòng)性。因此,絕大部分振動(dòng)環(huán)境難以為壓電懸臂梁提供一個(gè)穩(wěn)定的諧振條件,從而導(dǎo)致了壓電懸臂梁的能量收集效率大大降低。本文對(duì)壓電懸臂梁的能量收集特性進(jìn)行了研究和分析,指出了其在低頻振動(dòng)下應(yīng)用的局限性。結(jié)合碰撞升頻轉(zhuǎn)換的方法,提出了一種基于擺球碰撞式壓電俘能器的設(shè)計(jì)方法,并對(duì)其進(jìn)行了有限元分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,為如何有效在低頻振動(dòng)環(huán)境下進(jìn)行能量收集提供一個(gè)新的研究思路。通過有限元分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法,對(duì)壓電懸臂梁的材料屬性以及結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了分析;研究了單壓電片懸臂梁、并聯(lián)雙壓電片懸臂梁以及串聯(lián)雙壓電懸臂梁三種不同連接形式下輸出電壓、輸出功率、最優(yōu)負(fù)載以及內(nèi)阻抗之間的關(guān)系。通過分析指出諧振模式下壓電懸臂梁的工作帶寬窄,當(dāng)外界振動(dòng)頻率偏離諧振頻率時(shí),輸出功率迅速下降。通過有限元仿真對(duì)碰撞力作用下壓電懸臂梁的輸出特性進(jìn)行了分析。結(jié)果指出壓電片長度越短,厚度越薄,機(jī)械結(jié)構(gòu)阻尼比越小,自由衰減產(chǎn)生的開路電壓幅值越大,衰減振動(dòng)持續(xù)時(shí)間越長。在壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出一種單擺球碰撞式壓電俘能器,利用有限元軟件對(duì)擺球和壓電懸臂梁的碰撞過程進(jìn)行了模擬仿真。根據(jù)有限元的仿真分析和實(shí)際測試結(jié)果,該裝置能有效地將外界低頻振動(dòng)轉(zhuǎn)換為擺球與懸臂梁的高頻碰撞,從而使得壓電懸臂梁上產(chǎn)生較高的電壓輸出。當(dāng)外界振動(dòng)頻率為2Hz、幅值為2.5mm時(shí),擺球和懸臂梁之間的碰撞頻率達(dá)到了10Hz,碰撞作用引起壓電懸臂梁產(chǎn)生的輸出電壓峰值可達(dá)30.2V和26.1V。當(dāng)將兩壓電懸臂梁并聯(lián)之后,在最優(yōu)負(fù)載130kΩ下的平均輸出功率為10.53μW。通過仿真分析和實(shí)驗(yàn)測試指出,外界振動(dòng)頻率在1Hz到8Hz之間時(shí)均能引起擺球和懸臂梁的碰撞。結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用場景(如波浪環(huán)境或人體運(yùn)動(dòng)環(huán)境),針對(duì)這種抖動(dòng)振動(dòng)形式,在單擺球壓電俘能器的基礎(chǔ)上,提出一種雙擺球壓電俘能結(jié)構(gòu)。相比于單擺球結(jié)構(gòu),雙擺球結(jié)構(gòu)下每次碰撞能夠與兩個(gè)壓電懸臂梁同時(shí)發(fā)生作用。該結(jié)構(gòu)不僅增加了壓電俘能器的輸出功率,提高能量收集密度,同時(shí)還能夠有效降低壓電俘能器的匹配負(fù)載。在頻率為2Hz、幅值為10°的擺動(dòng)激勵(lì)下,外接負(fù)載為47kΩ,測得雙擺球壓電俘能器的平均輸出功率達(dá)到了43μW。最后,對(duì)經(jīng)過整流濾波電路后的輸出電信號(hào)進(jìn)行了測試與分析,在470μF濾波電容下測得電容兩端穩(wěn)定直流輸出電壓為5.07V,足以滿足微機(jī)電系統(tǒng)供能需求。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM619
【圖文】：

圖 1-1 不同能源功率密度和電壓的對(duì)比式能量收集器有其獨(dú)特的優(yōu)勢，但在實(shí)際的應(yīng)用中，由于環(huán)境方向通常是未知的，因此如何來設(shè)計(jì)自適應(yīng)調(diào)節(jié)固有頻率以器是人們研究的熱點(diǎn)。同時(shí)在自然環(huán)境中絕大多數(shù)都是低頻振＜3Hz)[10]，往往都偏離了器件的諧振頻率，如何有效地提高對(duì)效率也是目前的研究方向。本文從壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析頻振動(dòng)下應(yīng)用的局限性，提出了一種基于擺球碰撞式壓電俘效地在低頻振動(dòng)環(huán)境下收集電能提供一種新的研究思路。的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展收集技術(shù)的基本原理，即在外界振動(dòng)源的作用下，壓電材料發(fā)材料的正壓電效應(yīng)，使得在壓電材料的上、下表面產(chǎn)生正、負(fù)

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文、壓電振子結(jié)構(gòu)形式、能量收集電路幾個(gè)方面的研究進(jìn)行簡要的介紹。壓電俘能器的寬頻技術(shù)以及低頻俘能技術(shù)方面進(jìn)行詳細(xì)的介紹。 壓電材料在俘能器中的應(yīng)用在 1880 年，居里兄弟就發(fā)現(xiàn)了 α-石英晶體具有壓電特性。當(dāng)電介質(zhì)晶用而發(fā)生形變時(shí)，在其表面會(huì)產(chǎn)生成比例的異號(hào)電荷，這種現(xiàn)象稱為正圖 1-2(a)所示；反之，晶體受到外電場作用會(huì)成比例的產(chǎn)生形變，此稱，如圖 1-2(b)所示。壓電材料正是具有這種能將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的特泛用于振動(dòng)能量收集領(lǐng)域。

圖 1-3 Lei 等制作的基于 PZT 薄膜的微型壓電俘能器的工藝流程圖(a)和制作實(shí)氟乙烯（PVDF）是由單體偏氟乙烯（CH2=CF2）合成的半結(jié)晶型（-CF2-CF2-）。PVDF 需經(jīng)過拉伸極化后才具有壓電效應(yīng)。相比于壓電有良好的柔韌性、可加工性以及耐疲勞性，因而被用于大應(yīng)變和沖擊集。早在 1984 年，Hausler[17]等人就通過 PVDF 薄膜對(duì)動(dòng)物呼吸產(chǎn)生研究。該裝置安置在狗的相鄰肋骨間，得到了 17μW 的連續(xù)功率輸出ks[18]等利用 PVDF 來將動(dòng)脈的擴(kuò)張和收縮能轉(zhuǎn)換為的電能，來為植入能，如圖 1-4 所示。測得輸出電壓為 1.2V,最大輸出功率為 16μW。

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