采用旋转结构的非线性宽频振动能量采集器

发布时间：2017-11-26 11:14

  本文关键词：采用旋转结构的非线性宽频振动能量采集器

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【摘要】：无线传感器网络以其隐蔽性高、功率低、体积小等特点,被广泛应用于生活的各个领域。传统的无线传感器网络大多采用电池供电,但电池所携带的能量有限,不能满足长期工作的需要。自然环境中,振动无处不在,将振动产生的能量转化为电能,实现传感器的自供电,可满足其长期工作的需要。环境中的振动频率常分布在一个较宽的频带内,若振动能量采集器具有宽频振动能量采集特性,就可充分采集环境中的振动能量。大多数采集器利用非线性法实现宽频能量采集,且多采用悬臂梁结构实现能量采集,这种采集器虽然具有宽频特性,但大振幅的振动容易造成悬臂梁断裂。另外采集器的输出功率和频率成正比,频率越高,输出功率越高,若将升频特性与宽频特性相结合,能使宽频振动能量采集器输出更高的功率。目前,将宽频和升频相结合的非线性振动能量采集器研究很少。本文以复合磁电换能器为基础,提出了一种新型的基于旋转结构的非线性宽频振动能量采集器,该采集器既能克服悬臂梁结构式采集器在大振幅的振动下梁容易断裂的缺点,同时又具有宽频、倍频等特性,并且能输出高的功率。因此,本文的具体工作和主要研究内容如下:(1)介绍目前国内外非线性宽频振动能量采集器的研究现状,总结非线性宽频振动能量采集器存在的不足。结合磁致伸缩/压电层合换能器的输出特性和工作模式等,探讨影响磁致伸缩/压电层合材料输出功率的主要因素。(2)建立旋转式能量采集器的抽象振动模型,利用林斯泰特-庞加莱法研究能量采集器的非线性振动特性,结合磁电换能器的磁电特性分析采集器的机-磁-电转换特性以及频率响应特性。该模型可作为旋转式振动能量采集器分析和设计的基础。(3)采用磁电换能器设计一种在低频振动下输出高功率的旋转式非线性振动能量采集器,利用Maxwell软件仿真分析采集器结构中磁路空气隙中的磁场强度以及磁力矩随摆动角度变化的规律。针对PZT-5H磁电换能器和PMNT-PT磁电换能器的两种采集器进行研究和讨论。研究发现:1)采用PZT-5H磁电换能器的采集器时,0.3g(g=9.8m/s2)加速度下最大峰峰电压值可达92.0V,电压超过20V的频率带宽可达8Hz,输出功率可达117μW;2)采用PMNT-PT磁电换能器的采集器时,0.3g(g=9.8m/s2)加速度下最大峰峰电压值可达188.0V,电压超过20V的频率带宽可达6Hz,输出功率可达689.7μW;0.5g(g=9.8m/s2)加速度下最大峰峰电压值可达246.0V,电压超过20V的频率带宽可达9.4Hz,输出功率可达970.23μW。
【学位授予单位】：西华师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM619

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本文编号：1229606