二十一世紀(jì)以來(lái),微電子技術(shù)及超大規(guī)模集成電路不斷突破,微處理器及無(wú)線傳感器的功耗則不斷降低,體積不斷減小。而與之相應(yīng)的傳統(tǒng)化學(xué)電池的發(fā)展速度卻明顯滯后,其體積大,壽命短和儲(chǔ)能密度低等問(wèn)題日漸凸顯,成為抑制微電子器件發(fā)展的首要短板。壓電能量收集技術(shù)旨在為戶外無(wú)線傳感器、便攜式微電子設(shè)備輔助供能,基于壓電效應(yīng),通過(guò)換能材料將環(huán)境中的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成易于利用的電能,達(dá)到能量收集的目的。本文從壓電轉(zhuǎn)換分析、能量收集器的結(jié)構(gòu)仿真設(shè)計(jì)、頻域響應(yīng)及阻抗匹配實(shí)驗(yàn)和溫度場(chǎng)、磁場(chǎng)等外界物理場(chǎng)耦合等角度,對(duì)輪輻式壓電振動(dòng)能量收集器發(fā)電學(xué)輸出進(jìn)行研究。建立了壓電懸臂梁、輪輻式固支梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型,推導(dǎo)出了影響諧振頻率及幅值等力學(xué)性能的表達(dá)式�；诖�,建立了壓電能量收集器機(jī)電耦合模型,再結(jié)合運(yùn)動(dòng)微分方程及壓電耦合方程,求解出了負(fù)載電壓頻域響應(yīng)及匹配阻抗表達(dá)式,為下一步提高壓電能量收集器性能提供理論支撐。建立了懸臂梁及輪輻式結(jié)構(gòu)的有限元模型,利用COMSOL有限元多物理場(chǎng)耦合仿真軟件進(jìn)行了壓電頻域響應(yīng)分析。對(duì)影響壓電能量輸出的參量包括梁型、基底厚度、壓電層厚度以及基底材料等進(jìn)行參數(shù)化討論后,探究了其對(duì)壓電振動(dòng)系統(tǒng)工... 

【文章來(lái)源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁(yè)數(shù)】：81 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

陣列式壓電懸臂梁

a）謝濤等人的陣列式懸臂梁[19]b）佘引等人的共質(zhì)量塊陣列懸臂梁[20]圖 1-1 陣列式壓電懸臂梁（2）分段式懸臂梁 由于陣列式壓電懸臂梁雖然達(dá)到了提高帶寬的目的，但不可避免的增大了整個(gè)裝置的體積，因此 Lee[21]提出采用分段式壓電懸臂梁的方式擴(kuò)大帶寬，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图皦弘婎l域響應(yīng)如圖 1-2 所示。利用一個(gè)分段式壓電懸臂梁達(dá)到了對(duì)兩個(gè)相近頻率振動(dòng)的響應(yīng)，達(dá)到了擴(kuò)寬工作頻帶的目的。其針對(duì)特定環(huán)境下有若干個(gè)集中激振頻率的振源，取得了良好的壓電轉(zhuǎn)換效果，解決了懸臂梁式壓電能量收集器只有一個(gè)波峰的缺陷。

a）單自由度壓電懸臂梁 b）雙自由度分段壓電梁圖 1-3 程千駒的線性分段式壓電懸臂梁模型[22]（3）非線性振動(dòng)系統(tǒng) 通過(guò)引入外界應(yīng)力方式達(dá)到調(diào)節(jié)系統(tǒng)阻尼屬型的非線性拓寬頻帶的方式之一，該種方式明顯不同于線性拓寬頻帶方常具有較寬的工作頻帶，其中通過(guò)使用永磁鐵引入磁力[23-26]是一種較為的方法。圖 1-4 展示了 Challa[25]提出的在振動(dòng)系統(tǒng)中引入磁力的模型，壓電懸臂梁受迫振動(dòng)時(shí)的受力情況，通過(guò)磁力調(diào)節(jié)懸臂梁阻尼達(dá)到調(diào)節(jié)頻率的目的，實(shí)驗(yàn)表明通過(guò)該方法可明顯改善在不同頻率振動(dòng)作用下的輸出，達(dá)到了拓寬頻帶的目的。a）Challa 磁力模型示意圖 b）調(diào)節(jié)共振頻率后電學(xué)輸出圖

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于柔性智能器件的心動(dòng)能量收集技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 張陽(yáng)陽(yáng),呂朝鋒,馮雪.  中國(guó)科學(xué):信息科學(xué). 2019(04)
[2]三向壓電懸臂梁振動(dòng)能量采集器的研究[J]. 馬驍駿,冷永剛,劉進(jìn)軍,范勝波.  振動(dòng)與沖擊. 2018(22)
[3]可更換式多方向振動(dòng)能量收集裝置優(yōu)化研究[J]. 張旭輝,吳中華,鄧鵬飛,賴正鵬,樊紅衛(wèi).  壓電與聲光. 2017(04)
[4]全方向振動(dòng)能量收集系統(tǒng)[J]. 張旭輝,林然.  工礦自動(dòng)化. 2015(01)
[5]MEMS壓電陣列振動(dòng)能量收集器[J]. 佘引,溫志渝,趙興強(qiáng),鄧麗城,尚正國(guó).  傳感技術(shù)學(xué)報(bào). 2014(08)
[6]一種寬頻的磁式壓電振動(dòng)能量采集器[J]. 馬華安,劉景全,唐剛,楊春生,李以貴.  傳感器與微系統(tǒng). 2011(04)
[7]Rainbow型壓電單膜片換能結(jié)構(gòu)負(fù)載電壓和輸出功率分析[J]. 劉祥建,陳仁文.  航空學(xué)報(bào). 2011(03)
[8]多懸臂梁壓電振子頻率分析及發(fā)電實(shí)驗(yàn)研究[J]. 謝濤,袁江波,單小彪,陳維山.  西安交通大學(xué)學(xué)報(bào). 2010(02)

博士論文
[1]分段線性壓電能量收集器的寬頻俘能特性研究[D]. 程千駒.哈爾濱工程大學(xué) 2017
[2]基于壓電厚膜的MEMS振動(dòng)能量采集器研究[D]. 唐剛.上海交通大學(xué) 2013

碩士論文
[1]基于壓電電磁的復(fù)合俘能技術(shù)研究[D]. 徐紅斌.南京郵電大學(xué) 2018
[2]兩端固支梁壓電振動(dòng)能量收集器的研究[D]. 劉兵.大連理工大學(xué) 2017
[3]基于諧振式懸臂梁的壓電—電磁復(fù)合俘能技術(shù)研究[D]. 任佳琦.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2011



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