基于压电材料的振动能量收集理论及其结构分析

论文摘要

新一代传感技术的发展较大程度上依赖于改进微电子器件的无线供能技术,即直接从环境中提取能量。压电能量收集器是利用环境振动诱导压电结构变形,引起材料内部的正负电荷中心分离,从而产生极化电压。它因具有结构简单、不发热、无电磁干扰、无污染、易于加工制作和实现机构的微小化、集成化等优点而引起了广泛的关注。为制造出能在低频环境下使用且具有较高功率输出的能量收集器,本文建立了压电悬臂梁式振动能量收集器的模型,针对其关键部件—压电悬臂梁进行了理论分析与仿真分析,并深入分析了压电悬臂梁结构的尺寸参数与谐振频率、输出电压之间的关系,为压电振子的尺寸优化设计提供依据。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及其意义
• 1.2 压电发电国内外研究动态
• 1.2.1 国外研究状况
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本文研究主要内容
• 第二章 压电材料的机电转换特性分析
• 2.1 压电转换基本理论
• 2.1.1 压电效应与压电发电机理
• 2.1.2 压电方程组
• 2.1.3 压电发电性能评估的重要参数
• 2.2 压电晶体机电转换类型
• 2.2.1 31型压电发电结构
• 2.2.2 33型压电发电结构
• 2.3 压电材料的不同应用领域
• 2.4 小结
• 第三章 压电能量收集器能量转换的机电特性分析
• 3.1 压电振子的结构分析
• 3.1.1 压电振子的支撑方式
• 3.1.2 压电振子的激励方式
• 3.1.3 压电振子的谐振特性
• 3.1.4 压电振子的等效电路
• 3.2 悬臂梁振动理论分析
• 3.2.1 悬臂梁的振动微分方程
• 3.2.2 压电片最佳粘贴位置
• 3.2.3 悬臂梁压电振子的基振频率
• 3.3 压电悬臂梁结构及机电转换分析
• 3.4 压电振子的材料选择和尺寸设计
• 3.4.1 压电振子的材料选择
• 3.4.2 压电振子的尺寸设计
• 3.5 小结
• 第四章 压电能量收集器的动力学分析
• 4.1 有限元理论
• 4.1.1 ANSYS有限元分析
• 4.1.2 ANSYS压电耦合场分析
• 4.1.3 ANSYS有限元分析步骤
• 4.2 压电悬臂梁结构有限元分析
• 4.2.1 压电悬臂梁几何参数及材料基本属性
• 4.2.2 压电参数的定义
• 4.2.3 压电悬臂梁结构的ANSYS模型建立和网格划分
• 4.3 压电振子仿真结果分析
• 4.3.1 静力学分析
• 4.3.2 模态分析
• 4.3.3 谐响应分析
• 4.4 尺寸因素对压电振子机电特性的影响
• 4.4.1 厚度比对压电振子的影响
• 4.4.2 梁长对压电振子的影响
• 4.4.3 梁宽对压电振子的影响
• 4.5 31模式与33模式的比较
• 4.6 小结
• 第五章 压电能量收集测试实验
• 5.1 压电振子的制作
• 5.2 实验测试系统
• 5.3 实验测试分析
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表论文和参加科研情况