密闭容腔气体载荷激励下盘型压电俘能器理论与实验研究

发布时间：2019-08-03 14:42

【摘要】：气动技术因具有高效、安全、低成本等优点被广泛应用于工业自动化生产等领域。由于气动系统工况复杂、状态参量多,往往需要采用多种传感器对系统的压力、流量、温度及位置等参数进行实时数据采集与状态检测。为解决气动系统传感器供能的问题,本文将开展密闭容腔气体载荷激励下盘型压电俘能器研究工作,利用压电材料具有的结构简单、能量密度高、易安装等特点,研制适用于工业高压气体激励环境的压电俘能器。论文分析了盘型压电片在高压气体载荷激励下的发电机理,建立盘型压电单晶片的数学模型,理论研究了双模量压电单晶片在高压气体载荷的作用下的挠曲形变,以及形变量与电能转化的关系。通过ANSYS仿真软件分析不同尺寸、厚度的盘型压电片的发电特性。结合理论分析结果研究高压气体激励下压电俘能器原理型样机的俘能特性。开展单腔压电俘能器的设计,确定俘能器的结构和尺寸。然后搭建了实验样机电压输出特性测试系统,通过LabVIEW搭建软件系统,对单腔压电俘能器的输出特性进行实验研究与分析。在单腔俘能器的基础上模拟复杂气体载荷环境,开展涡流激励压电俘能器和交变气体载荷下压电俘能器的研究工作。理论分析涡流场形成机理,假设密闭容腔内部高压气体环境为刚性流动,通过建立数学模型分析涡流转动惯量与存储能量之间的关系,研究气体速度矢量分布对缸筒壁面的惯性作用力,从而指导耦合容腔压电俘能器的结构设计。仿真分析耦合容腔内部涡流形成规律及分布状态。利用FLUENT流体仿真软件对不同尺寸耦合容腔内部流场进行分析,设计耦合容腔实验物理样机并搭建实验测试系统,通过实验手段研究不同涡流状态下的压电俘能特性,通过外接负载电阻分析俘能器电阻匹配关系,研究不同气体参数对俘能器能量转化效率的影响。实验结果表明涡流可提高压电俘能器能量转化效率。定质量分数气体是密闭压缩环境的一种特殊情况,通过建立压缩容腔数学模型,理论分析气体压缩过程对压电俘能器的影响规律,设计定质量分数压电俘能器结构并加工实验样机,搭建实验测试系统,研究俘能器的电能转化特性。最后开展气动工况下压电俘能器实验研究,设计气动工况下压电俘能器实验样机并对样机性能进行测试。本课题通过理论分析、数值模拟与实验研究的手段深入分析了多种密闭环境的气动压电俘能特性,该研究可为解决气动无线传感自供能提供理论与实验基础。
【图文】：

研究生学位论文第 1 章绪论1.1课题来源与研究意义课题来源于吉林省科技发展计划项目“精密压电超声驱动技术研究团队专利示范培育”，项目编号：20150312006ZG；吉林省科技发展计划项目（重点科技攻关），“钽电解电容器超声减摩辅助成型压制关键技术研究”，项目编号：20160204054GX。气动技术因具有高效、安全、低成本等优点被广泛应用于工业自动化生产等领域由于气动系统工况复杂、状态参量多，往往需要采用多种传感器对系统的压力、流量温度及位置等参数进行实时数据采集与状态检测[1]。随着《中国制造 2025》中为实现工业系统全面无线化、智能化发展战略的提出，大量的无线传感器被引入到气动系统用以实现对气动执行元件的实时监测与反馈，图 1-1 为智能无线化气动系统示意图[2]

密闭容腔气体载荷激励下盘型压电俘能器理论与实验研究

身能量进行电能转化，并通过整流电路将电能进行存储，用寿命。论文利用压电元件在高压气体载荷激励下产生机械变形，力能进行俘获的新型压电俘能器。本文将进行密闭容腔气与实验研究工作，利用压电材料具有的结构简单、能量密适用于工业高压气体冲击环境的压电俘能器并进行理论与系统微能源俘获研究提供一定的技术支持。研究现状及发展动态分析是电介质材料中一种机械能与电能互换的现象。压电效应电效应。压电效应在精密驱动、微能源收集和传感器等领1-2 所示为压电效应原理示意图，压电效应的原理即对压电会有电荷溢出，，反之施加电压则产生机械形变。因气体介染等特点，通过利用压电材料对环境中气体介质的能量进集研究领域的热点之一。
【学位授予单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH138;TM619

【参考文献】