【摘要】：在車輛、橋梁和道路等環(huán)境中存在著豐富的振動能,利用這些振動能為超低功耗無線傳感器供電,成為了近年來研究的熱點。壓電式能量采集器是一種基于正壓電效應的振動能量采集器,結構簡單,能夠提供穩(wěn)定的電壓輸出。然而,大部分的壓電振動能量采集器只有在諧振頻率下才有著較為理想的輸出,一旦外部的激振頻率偏離了諧振頻率,電壓輸出會大幅下降,難以滿足用電器的需要。因此,針對這種工作頻帶較窄的問題,本文提出了一種橋式壓電能量收集裝置,以拓寬能量采集的頻帶,并且該裝置能夠自適應調節(jié)系統(tǒng)的固有頻率,與外部激勵頻帶匹配。首先,本文根據(jù)二維非線性Euler-Bernoulli梁假設,得到了大變形應變-位移的幾何非線性關系;利用Hamilton原理得到了系統(tǒng)的分布參數(shù)動力學模型,通過Galerkin離散得到了系統(tǒng)的一階響應方程,經過變分和無量綱化,得到了無量綱的機電耦合方程;基于諧波平衡法對機電耦合方程進行求解,得到了電壓幅值和平均功率的近似求解表達式。然后,利用Matlab軟件,對該模型進行解析分析和數(shù)值求解,研究了激振頻率、激勵振幅、質量塊位置和負載對橋式壓電能量收集裝置的輸出的影響,并進一步探究了移動質量塊對輸出電壓的影響;基于Multiphysics COMSOL多物理場有限元軟件,得到了不同質量塊位置下橋式壓電能量采集器的模態(tài)振型和輸出電壓。最后,設計并制作了橋式壓電能量收集裝置的樣機以及實驗基座,通過實驗,得到了不同激勵條件和質量塊位置下的橋式壓電能量收集裝置的一階電壓響應曲線。實驗結果表明,橋式壓電能量采集器結構能夠拓寬能量采集的工作頻帶,并且當質量塊位于壓電梁邊緣時的輸出電壓最大。此外,還通過實驗測試了移動質量塊對輸出特性的動態(tài)影響,發(fā)現(xiàn)移動質量塊能夠通過改變橋式壓電梁結構的諧振頻率和與壓電梁發(fā)生沖擊,提升橋式能量收集裝置的電壓輸出。
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM619
【圖文】：

重慶大學碩士學位論文1.2 電式振動能量采集裝置國內外研究現(xiàn)狀壓電振動能量采集技術涉及機械、力學、材料、電子等諸多學科，引起了眾多不同領域研究人員的關注�？v覽壓電振動能量采集器的研究歷史，研究人員都在不斷嘗試多種結構，不同的壓電材料，更高效的接口存儲電路，提高能量轉化效率，獲得最佳的能量采集性能。1.2.1 壓電能量采集器的結構對壓電能量采集器結構的研究是這一領域的熱點。通過優(yōu)化結構，可以根據(jù)實際使用需要來不斷調整壓電能量采集器的性能特點。壓電能量采集器大多采用了懸臂梁式結構。懸臂梁式壓電能量采集器結構簡單，易產生相對較大的應變，因此得到了廣泛地設計和研究。常用的懸臂梁結構分為單晶片和雙晶片，如圖 1.1 所示。單晶懸臂梁式壓電能量采集器由一層金屬基板和一層壓電陶瓷晶片構成；雙晶懸臂梁式壓電能量采集由一層位于中間的金屬基板和兩側的壓電陶瓷晶片構成。

懸臂梁式壓電能量采集器由一層金屬基板和一層壓電陶瓷晶片構成；雙式壓電能量采集由一層位于中間的金屬基板和兩側的壓電陶瓷晶片構成(a) 單晶片 (b) 雙晶片圖 1.1 壓電懸臂梁結構Fig.1.1 Structure of the piezoelectric cantilever懸臂梁結構的共振頻率往往遠高于外部環(huán)境的激勵頻率，所以通常會在動端增加一個質量塊，使共振頻率降低[5-6]，提高其使用效率。Elvin[7]等電材料制作了簡支彎曲梁，將結構系統(tǒng)中的機械應變能轉換為電能，實現(xiàn)測系統(tǒng)的全周期自我供電。Jeon[8]等人研制了一種基于 MEMS 技術的 P膜能量采集器，如圖 1.2 所示。

【參考文獻】

相關期刊論文 前3條

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相關博士學位論文 前2條

1 侯志偉;蒲公英狀多方向寬頻帶壓電振動能量采集研究[D];南京航空航天大學;2013年

2 張金英;基于MEMS技術的微型高頻（100-300兆赫茲）超聲線性相控陣換能器[D];復旦大學;2011年

本文編號：2727338