低频宽带振动能量采集器的结构设计与实现

发布时间：2017-04-05 17:10

  本文关键词：低频宽带振动能量采集器的结构设计与实现，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：环境振动能作为一种常见的能量形式,广泛存在于大型工矿设备,交通运输装备,公路、桥梁等大型工程建筑,以及生物体活动中。采集环境中的振动能量,为微纳监测器件供电,对于解决高噪、高振动,野外环境,生物微环境等特殊环境中电子监测器件的能源稳定供给问题,具有重要的研究意义和实用价值;同时,环境能量采集系统的研究对于解决传统能源供给方式(如化学电池)体积大、生命周期有限、污染环境等问题也提供了新的研究思路。环境中的振动一般均表现为多个振动的相互作用,具有加速度幅值小,振动频率低(200Hz),频带较宽等特点。而传统的基于压电效应的振动能量采集器由于固有频率高,工作频带窄,已不能满足当前环境振动能量采集的需求。针对上述问题,本论文提出了一种基于线性多自由度理论的振动能量采集装置,实现了100 Hz以下范围内的多模态宽频能量采集。具体研究内容如下:(1)概括了当前的特殊环境下微纳传感器件的自供电问题,并对静电式、压电式以及电磁式三种传统的振动能量采集方式做了介绍。其中,着重分析了压电式振动能量采集器的最新发展趋势,以及典型研究工作中所涉及能量采集器件的优缺点,在此基础上对本论文所设计的低频宽带能量采集结构提出要求。(2)研究了压电式能量采集的理论基础,包括压电效应基本概念、压电材料及其性能参数以及压电方程等。并从理论上分析了传统悬臂梁式振动能量采集器的机电转换特性、频谱特性以及其性能缺陷。(3)设计了一种线性多自由度能量采集装置,建立数学模型进行理论分析,并应用COMSOL有限元软件进行了仿真计算。结果表明,随着自由度的增加,共振频率明显降低;线性多自由度度能量采集器在0-200Hz范围内出现多个共振模态,模态接近或相连,有效拓宽了工作频带。(4)搭建了能量采集系统测试平台。对加工制造的线性单自由度、二自由度以及三自由度能量采集装置进行了开路电压测试和功率测试。实验结果表明,线性三自由度能量采集器的有效工作带宽拓展到15Hz,为单自由度结构的375%;同时其在一阶固有频率处的最大输出功率达到82.4μW,在其它三阶模态处也均有功率输出,可适用于多源宽频带的振动环境。
【关键词】：振动能量采集 线性多自由度系统 低频 宽带
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM619
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究概况11-20
• 1.2.1 典型振动能量采集形式11-13
• 1.2.2 压电式能量采集技术的分类研究13-20
• 1.3 本文主要研究内容20-22
• 第二章 压电振动能量采集基础理论研究22-32
• 2.1 压电理论基础22-26
• 2.1.1 压电效应基本概念22-23
• 2.1.2 压电材料及其性能参数介绍23-25
• 2.1.3 压电方程25-26
• 2.2 压电悬臂梁能量采集理论26-31
• 2.2.1 压电悬臂梁能量采集结构及其模型分析26-29
• 2.2.2 压电悬臂梁频谱特性分析29-31
• 2.3 本章小结31-32
• 第三章 线性多自由度能量采集结构设计32-46
• 3.1 有限元分析基础32-34
• 3.1.1 有限元分析基础理论32-33
• 3.1.2 基于COMSOL软件的分析过程33-34
• 3.2 线性多自由度能量采集结构设计及其数模分析34-39
• 3.2.1 线性多自由度能量采集结构设计34-35
• 3.2.2 线性多自由度结构固有频率分析35-38
• 3.2.3 线性多自由度结构开路电压分析38-39
• 3.3 有限元仿真分析39-45
• 3.3.1 有限元模型建立39-42
• 3.3.2 固有频率与频域求解42-45
• 3.4 本章小结45-46
• 第四章 线性多自由度能量采集器样机加工与测试46-62
• 4.1 振动能量采集系统测试平台介绍46-49
• 4.2 采集器加工49-53
• 4.2.1 压电材料合成49
• 4.2.2 压电悬臂梁的加工49-51
• 4.2.3 线性多自由度能量采集器的加工51-53
• 4.3 线性多自由度能量采集器开路电压分析53-56
• 4.3.1 线性能量采集器开路电压测试53-55
• 4.3.2 开路电压结果对比分析55-56
• 4.4 线性多自由度能量采集器功率分析56-60
• 4.4.1 最佳匹配电阻分析56-59
• 4.4.2 功率测试结果分析59-60
• 4.5 本章小结60-62
• 第五章 总结与展望62-64
• 5.1 总结62-63
• 5.2 展望63-64
• 参考文献64-72
• 致谢72-74
• 攻读硕士期间发表的论文及获得的成果74

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4 李公法;孔建益;幸福堂;王兴东;刘怀广;刘源l，

本文编号：287375