压电式振动能量采集器研究

论文摘要

近年来,随着无线技术的不断进步,使得电子设备和传感器等系统应用范围不断扩大,已广泛应用于民用、医学、军事等领域。传统的电化学电池供电方式存在着寿命短、需要经常更换、储存能量有限等缺点,且在某些条件下更换电池过程复杂,成本很高或根本就不可能实现更换。因此,新的供电技术研究显得非常迫切。振动能是自然环境中广泛存在的一种能量,振动式发电机可将其提取并转换为可直接使用的电能。基于振动的能量采集方法一般有三种：压电式、静电式和电磁式。相对于静电、电磁式,压电能量采集器具有结构简单、能量密度高、寿命长等优点,而备受关注。压电能量采集器多采用压电悬臂梁结构作为换能元件,本文主要围绕基于悬臂梁结构的压电能量采集器展开研究,该器件的工作原理为通过PZT压电材料的压电效应,将振动机械能转化为电能。主要研究内容有：1、介绍了压电能量振动能量采集器的工作原理。提出了压电悬臂梁／质量块复合结构进行谐振式振动能量采集,在悬臂梁尖端添加金属质量块以降低结构固有频率。2、利用有限元分析软件ANSYS对压电悬臂梁结构进行分析。求解其谐振频率,并讨论了质量块、PZT层厚度、悬臂梁长度、宽度等因素对谐振频率和压电电压输出的影响。并采用Multism等效电路模型分析了器件对外负载的电压和电功率输出特征。3、采用了包括波形发生器、功率放大器、振动台、加速度计、示波器等在内的测试系统,对压电能量采集器器件进行性能测试,对谐振频率、电压等进行测量和分析。并与模拟仿真有关结果进行对比,结果表明模拟和实验所得规律一致,数值比较吻合。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外压电型能量采集器研究进展
• 1.2.1 压电材料
• 1.2.2 压电结构
• 1.2.3 频率匹配与频宽研究
• 1.2.4 电源管理与匹配电路研究
• 1.3 课题研究的主要内容
• 第二章 压电式能量采集器的工作原理
• 2.1 压电效应
• 2.2 压电方程
• 2.3 压电模式
• 2.4 器件振动物理模型
• 2.5 器件结构
• 第三章 压电式能量采集器结构与输出特性仿真分析
• 3.1 有限元分析
• 3.1.1 ANSYS软件有限元分析
• 3.1.2 压电分析
• 3.1.3 压电悬臂梁能量采集器有限元分析过程
• 3.2 尺寸因素对结构谐振频率、电压、功率的影响
• 3.2.1 铜层悬臂梁长度、厚度的影响
• 3.2.2 质量块对谐振频率的影响
• 3.2.3 PZT厚度、有效长度的影响
• 3.2.4 铜层悬臂梁宽度的影响
• 3.3 Multisim电路模拟分析
• 第四章 测试系统搭建及实验
• 4.1 测试系统
• 4.2 压电悬臂梁振动能量采集器性能测试
• 4.3 测试结果及分析
• 第五章 全文总结与展望
• 5.1 总结
• 5.1.1 主要完成的内容
• 5.1.2 本文主要的创新点
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献