基于压电薄膜的宽频俘能器仿真与实验研究

发布时间：2020-06-02 08:11

【摘要】：传统电池对微电子设备的供电方式存在明显不足,例如传统电池体积大、能量有限、寿命短、污染环境等。因此,人们开始研究如何从环境中收集能量。基于压电原理的发电装置可将环境中的机械能直接转换成电能,具有易加工、结构简单、无电磁干扰、利于环境友好等优点而备受国内外专家关注。本文提出了一种基于悬臂梁结构的宽频压电俘能器。首先,通过实验得出悬臂梁结构比其他结构灵敏度高、输出电压大,且在多片并联时效果更好;为了降低俘能器的谐振频率,在梁顶端加质量块,根据材料力学、振动理论和压电学等知识建立了悬臂梁的数学模型,利用MATLAB软件对模型数值计算,研究了梁长和质量块重量与悬臂梁响应特征之间的关系。为了拓宽俘能器的共振频带,增加了质量块的数量且将多片不同梁长的悬臂梁并联,在理论分析的基础上,建立悬臂梁的有限元模型,利用ANSYS对模型进行仿真分析,得出质量块大小、位置、个数、间距对压电俘能器的谐振频率、频带宽度、输出电压的影响,通过对宽频俘能器的模态分析及谐响应分析,探讨其频率响应。然后,改进了传统的整流滤波电路,利用LTC3588-1芯片设计了能量管理电路,改善了电路的能量转化效率,提高了电路的集成度,实现了电路小型化。实验验证宽频俘能器的可行性。首先,对单悬臂梁俘能器的发电特性进行实验,研究了单悬臂梁的输出特性与质量块质量、位置、个数及间距的关系;然后,通过单悬臂梁与多悬臂梁对比实验,验证了多悬臂梁的宽频特性;对宽频俘能器在不同负载下进行实验,获得了俘能器的最佳匹配电阻;最后,进行宽频俘能器为低功耗的计步器供电实验,验证了宽频俘能器结构及能量收集电路的正确性和有效性。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM619

【参考文献】