基于压电复合材料的振动能量采集装置的研究

发布时间：2017-09-09 17:36

  本文关键词：基于压电复合材料的振动能量采集装置的研究

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【摘要】：压电振动能量收集器因其结构简单、易于加工、无污染等优点而被广泛应用于电池更换维修困难、环境恶劣、功耗需求低等场合。压电振动能量收集结构主要是利用压电材料的压电效应来俘获环境中的能量,本文即是以压电复合材料为基础,设计了振动能量收集结构并研究了其参数优化问题。具体研究内容如下。首先,本文基于成膜-拉伸-极化制作工艺制作了聚偏二氟乙烯(PVDF)压电薄膜,分析了该工艺中可能影响压电性能的因素,研究了压电薄膜宽度与其输出电压的关系,以及纳米纤维材料对其压电性能的影响。其次,基于压电悬臂梁的机电耦合系数正比于悬臂梁发电部位始末处振型斜率差的理论,改进了传统的悬臂梁结构,并建立方程对改进结构的振型进行了理论计算和分析。理论分析表明,与传统结构相比,该改进结构的悬臂梁发电部位始末处振型斜率差确实得到了提高,并通过实验验证了该改进方法的正确性。最后,基于改进的悬臂梁结构,设计了一种收集地基振动能的能量收集结构,采用质量-弹簧-阻尼系统建立了与其对应的理论模型,并对该理论模型进行了参数优化分析。分析结果表明,为了获得较高的输出功率,支撑杆应该选用刚度大、质量轻的材质,并使得悬臂梁的刚度约为支撑杆刚度的0.15倍。
【关键词】：能量收集 压电效应 压电材料 PVDF
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33;TB535
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-22
• 1.1 课题背景与意义9-10
• 1.2 小能量收集概述10-13
• 1.2.1 小能量收集定义10-11
• 1.2.2 可用能量源11-12
• 1.2.3 振动能-电能转换机理12-13
• 1.3 压电振动能量收集技术国内外研究现状13-20
• 1.3.1 压电材料研究现状13-15
• 1.3.2 振动能量收集结构研究现状15-18
• 1.3.3 能量收集电路研究现状18-20
• 1.4 本文研究目内容及论文结构20-21
• 1.4.1 研究内容20
• 1.4.2 论文结构20-21
• 1.5 本章小结21-22
• 2 PVDF压电薄膜制备流程22-36
• 2.1 引言22-26
• 2.1.1 PVDF简介22-24
• 2.1.2 β型PVDF压电薄膜制备方法简介24-25
• 2.1.3 本文制备流程简介25-26
• 2.1.4 实验材料与所需设备26
• 2.2 PVDF初始膜制备26-29
• 2.2.1 制备流程26-27
• 2.2.2 实验操作过程27-29
• 2.2.3 注意事项29
• 2.3 高温单轴拉伸29-31
• 2.3.1 拉伸目的29-30
• 2.3.2 拉伸过程30-31
• 2.3.3 拉伸工艺关键点31
• 2.4 常温分步极化处理31-34
• 2.4.1 极化原理与目的31-32
• 2.4.2 极化过程32-33
• 2.4.3 注意事项33-34
• 2.5 电极制作34-35
• 2.6 本章小结35-36
• 3 PVDF压电薄膜压电性能测试与研究36-43
• 3.1 PVDF的压电性36
• 3.2 测试原理与测试系统搭建36-38
• 3.2.1 测试原理36-37
• 3.2.2 测试系统搭建37-38
• 3.3 输出电压测量38-40
• 3.3.1 输出电压与压电薄膜面积关系38-40
• 3.3.2 纳米Si O2纤维材料对输出电压的影响40
• 3.4 PVDF压电薄膜表征40-42
• 3.4.1 XRD分析40-42
• 3.4.2 SEM分析42
• 3.5 本章小结42-43
• 4 压电悬臂梁结构理论分析43-56
• 4.1 压电悬臂梁简介43-44
• 4.2 压电悬臂梁理论分析44-49
• 4.2.1 建模方法简介44-46
• 4.2.2 无阻尼自由振动模态分析46-48
• 4.2.3 机电耦合模型分析48-49
• 4.3 改进悬臂梁结构49-55
• 4.3.1 改进结构49-50
• 4.3.2 方程建立50-53
• 4.3.3 Matlab振型求解53-55
• 4.4 本章小结55-56
• 5 改进悬臂梁结构能量收集实验56-62
• 5.1 测试方法56
• 5.2 实验测试过程56-59
• 5.2.1 压电材料与测试设备56-58
• 5.2.2 压电振子制作58-59
• 5.2.3 实验过程59
• 5.3 实验结果处理与分析59-61
• 5.4 本章小结61-62
• 6 振动能量收集装置62-70
• 6.1 理论模型62-63
• 6.2 方程建立及求解63-65
• 6.2.1 方程建立63-64
• 6.2.2 Matlab求解64-65
• 6.3 参数分析65-69
• 6.3.1 质量块M1的影响65-66
• 6.3.2 质量块M2的影响66
• 6.3.3 弹簧K1的影响66-67
• 6.3.4 弹簧K2的影响67-69
• 6.4 本章小结69-70
• 结论70-71
• 致谢71-72
• 参考文献72-77
• 附录77-82
• 攻读硕士期间的学术论文及研究成果82

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本文编号：821823