宽频压电振动能量采集器的设计理论及其力电特性分析研究

【摘要】随着无线传感网络技术的不断发展,使用可持续电能代替化学电池为无线传感网络节点供电已经成为一个亟待解决的问题。这主要是由于无线传感网络节点分布众多,大多长期工作在无人值守的工作状态,定期更换电池给节点补充能量会造成人力和物力资源的浪费。因此,寻求可持续的供电方法来代替电池供电是突破无线传感器系统寿命瓶颈的关键技术。目前,基于环境振动的压电能量采集技术是一个解决该问题的新方法。压电能量采集是利用压电陶瓷晶片的压电效应,将无线传感器网络节点工作环境中的振动能采集转化为电能。这种技术以自给自足的方式解决自身供电问题,突破了电池电源使用寿命短和污染环境等的缺陷,是一种高效、清洁无污染的新型能量采集技术。典型的压电振动能量采集器是末端带有质量块的压电双晶悬臂梁结构,这种结构工作频率单一、频带较窄、能量采集效率低。由于环境振动的频带较宽,且随机性较大。当环境振动频率稍微偏离压电振动能量采集器的谐振频率时,压电振动能量采集器的采集和转换效率将大大降低。因此,如何拓宽现有压电振动能量采集器的工作频带是提高其输出性能的关键技术之一。为此,本文提出了一种新型的L型宽频压电振动能量采集器,通过在传统水平压电双晶悬臂梁结构的自由端增加一辅助的垂直压电双晶悬臂梁,利用两者的弹性耦合作用构成L型压电振动能量采集器。改变水平或垂直压电双晶悬臂梁的结构尺寸和材料参数,可以有效地调节L型压电振动能量采集器的一阶模态和二阶模态频率的间距,将采集器的一阶模态和二阶模态频率串联起来就可以形成一个宽频工作带,达到拓宽压电振动能量采集器频带的目的。该结构有效解决了传统压电双晶水平悬臂梁结构谐振频率单一、宽带窄等问题。论文第一章简单阐述了压电振动能量采集器的研究意义,重点综述了压电振动能量采集器的国内外研究现状及存在问题,并介绍了宽频压电振动能量采集器的研究进展。在此基础上,提出了本文的研究思路和研究内容。论文第二章主要介绍了压电振动能量采集技术的预备知识,主要包括压电理论和振动理论方面的知识,为论文开展宽频压电振动能量采集器的结构设计及力电特性分析的研究提供理论基础。论文第三章主要研究了L型宽频压电振动能量采集器的结构设计和有限元分析。利用ANSYS软件建立了L型宽频压电振动能量采集器的有限元机电耦合模型,利用该模型仿真研究和分析了L型宽频压电振动能量采集器各参数对系统的谐振频率和输出响应等特性的影响。此外,考虑压电陶瓷与金属基板之间胶粘层的影响,首次建立了带有胶粘层的L型宽频压电振动能量采集器的机电耦合模型,仿真分析了胶粘层厚度、密度和弹性模量等对系统谐振频率和输出特性的影响,得到优化后的宽频能量采集器结构尺寸和设计参数。论文第四章研究了L型宽频压电振动能量采集器的理论模型。利用压电理论、Euler-Bernoulli梁振动理论和哈密顿原理,首次建立了L型宽频压电振动能量采集器在夹持-自由边界条件下的机电耦合数学模型,得到系统的谐振频率和特征方程。利用MATLAB软件仿真分析了L型宽频压电振动能量采集器各参数对系统模态频率、末端速度、输出电压、输出电流和输出功率的影响,得到影响L型宽频压电振动能量采集器振动频率、能量输出特性的主要因素。论文第五章研究建立了L型宽频压电振动能量采集器的等效电路模型。跨越结构设计和电路设计,将L型宽频压电振动能量采集器的压电元件等效成串联的恒流源,首次得到了L型宽频压电振动能量采集器与负载阻抗之间的等效电路模型。利用该模型对L型宽频压电振动能量采集器的输出特性进行了功率优化和阻抗优化设计,得到系统在一阶模态和二阶模态激振下的最佳匹配负载阻抗和最大输出功率。最后,通过对仿真数据的对比分析,得到L型宽频压电振动能量采集器在短路谐振和开路谐振条件下的最优负载阻抗。
【作者】陆跃明；
【导师】王光庆；
【作者基本信息】浙江工商大学，信号与信息处理，2014，硕士
【关键词】宽频；L型；压电振动；能量采集器；力电特性；

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