双稳态弯扭耦合压电能量采集器设计及试验研究
发布时间：2020-12-25 18:22
能源是社会的基石,人类的发展史就是使用能源的更替史,而新能源开发进程十分缓慢,在一些特殊情况下,自然天气及地质变化等会导致工作器件的能源系统严重受损,因此,需要开发出适应特殊情况的供电装置。本文提出了一种适应低频环境的宽频双稳态压电能量采集装置用于微传感器的无源供电。通过引入磁体实现双稳态结构,使振动系统的非线性特性更加明显,拓宽了能量采集装置的响应频宽并增大了总体的有效形变,进而增强了发电能力。通过结构设计大幅度降低弯、扭频率,将压电装置的弯曲模态和扭转模态调整到相邻位置,实现压电能量采集装置的弯扭耦合振动模式,加强了低频环境下的发电效果。论文的主要内容如下。1.整理压电能量采集装置的研究背景及应用方向,介绍非线性压电系统相对于线性系统的特点,分析混沌运动的阈值问题,并对比不同能量采集电路的效果。建立双稳态系统磁力势能模型,结合Hamilton原理推导动力学模型,确定磁力零点计算公式;建立等效电路模型,求解非齐次线性方程组推导输出电压、输出功率的表达式。2.利用COMSOL仿真软件进行了模态及谐响应分析确定了工作模态,其次分析了压电基板尺寸参数对固有频率及输出电压的影响;探究永磁体磁...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常见的各种能量采集装置
第1章绪论3图1-2竖直放置的压电装置图1-3Ramlan建立的模型Moehilis等[24]探究了压电能量采集装置在正弦激励下的非线性响应特性，设计了一种具有负刚度的压电装置并探究实际的能量采集效果。Ramlan等[25]提出一种双弹簧系统，如图1-3，通过软件验证非线性系统具有更高的输出能力。2013年，李欣欣等[26]针对于微小机构制造了一款MEMS的压电发电机构，如图1-4所示，在加载幅值为1g时，可在9-19Hz的范围内产生1.5μw的平均功率。安装在汽车座椅上测试，可获得1.11V的峰值电压和123nW的峰值功率。2016年，南京大学的吴义彭[27]等提出了一种变频能量采集器。如图1-5，组成非线性能量采集装置的2个基板通过非对称设计，工作时通过主梁拾取环境低频振动并带动副梁进行二次振动，由于二次谐振比激励频率高三倍，从而使能量采集器实现了变频采集。降低了噪音并增加了能量收集器的寿命。进行探索，而引入非线性特性的双稳态能量采集器具有在某一激励频率范围内产生大响应的特点，可以很好的解决共振频率宽度过窄这一问题。实现双稳态系统的方法基本包括两大类，第一种是利用永磁体的磁力进行干涉，使能量采集系统产生两个稳定位置和一个不稳定位置；第二种是向能量采集系统施加一个预应力，这样在收到外界激励时，能量采集系统就会改变自身状态，实现双稳态或者多稳态的切换，下面对这两类实现方式的研究进行介绍。1.2.1磁力式双稳态压电装置2009年，Erturk等[22]利用磁铁的排斥力设计验证了一种双稳态压电能量采集器，如图1-2。受到外界激励频率为5-8Hz时，输出功率为1.2-10mw。但由于磁铁位置固定，会产生一定的随机共振现象且无法调整。2011年，Erturk等[23]对设计一种Duffing振子，克服了重力在竖直方向的不良影响。
第1章绪论3图1-2竖直放置的压电装置图1-3Ramlan建立的模型Moehilis等[24]探究了压电能量采集装置在正弦激励下的非线性响应特性，设计了一种具有负刚度的压电装置并探究实际的能量采集效果。Ramlan等[25]提出一种双弹簧系统，如图1-3，通过软件验证非线性系统具有更高的输出能力。2013年，李欣欣等[26]针对于微小机构制造了一款MEMS的压电发电机构，如图1-4所示，在加载幅值为1g时，可在9-19Hz的范围内产生1.5μw的平均功率。安装在汽车座椅上测试，可获得1.11V的峰值电压和123nW的峰值功率。2016年，南京大学的吴义彭[27]等提出了一种变频能量采集器。如图1-5，组成非线性能量采集装置的2个基板通过非对称设计，工作时通过主梁拾取环境低频振动并带动副梁进行二次振动，由于二次谐振比激励频率高三倍，从而使能量采集器实现了变频采集。降低了噪音并增加了能量收集器的寿命。进行探索，而引入非线性特性的双稳态能量采集器具有在某一激励频率范围内产生大响应的特点，可以很好的解决共振频率宽度过窄这一问题。实现双稳态系统的方法基本包括两大类，第一种是利用永磁体的磁力进行干涉，使能量采集系统产生两个稳定位置和一个不稳定位置；第二种是向能量采集系统施加一个预应力，这样在收到外界激励时，能量采集系统就会改变自身状态，实现双稳态或者多稳态的切换，下面对这两类实现方式的研究进行介绍。1.2.1磁力式双稳态压电装置2009年，Erturk等[22]利用磁铁的排斥力设计验证了一种双稳态压电能量采集器，如图1-2。受到外界激励频率为5-8Hz时，输出功率为1.2-10mw。但由于磁铁位置固定，会产生一定的随机共振现象且无法调整。2011年，Erturk等[23]对设计一种Duffing振子，克服了重力在竖直方向的不良影响。
【参考文献】：
期刊论文
[1]磁致伸缩振动能量采集器的研究进展[J]. 曹淑瑛,孙帅帅,郑加驹,王雪源,韩恭万,刘璐. 微纳电子技术. 2017(09)
[2]微型电容式振动能量采集器设计[J]. 尹春风,姜世杭,顾卿赟. 农业装备技术. 2014(05)
[3]双稳态系统中随机共振和相干共振的相关性[J]. 董小娟,晏爱君. 物理学报. 2013(07)
[4]双稳态压电悬臂梁发电系统的动力学建模及分析[J]. 孙舒,曹树谦. 物理学报. 2012(21)
[5]压电振动能量收集装置研究现状及发展趋势[J]. 刘祥建,陈仁文. 振动与冲击. 2012(16)
[6]电容式集能转换器的调理拓扑分析与优化[J]. 于春辉,张黎,黄金鑫,李庆民. 电力系统自动化. 2012(09)
[7]压电发电技术研究综述[J]. 王剑,郭吉丰,郭帅. 压电与声光. 2011(03)
[8]压电效应及其在材料方面的应用[J]. 阎瑾瑜. 数字技术与应用. 2011(01)
[9]基于MEMS技术的三明治型电磁式微振动能量采集器[J]. 王佩红,刘慧婷,杨卓青,戴旭涵,赵小林. 纳米技术与精密工程. 2010(06)
[10]微型压电振动能量采集器的研究进展[J]. 唐刚,刘景全,马华安,柳和生. 机械设计与研究. 2010(04)
博士论文
[1]双稳态压电悬臂梁俘能器的动态响应及发电性能研究[D]. 郭抗抗.天津大学 2015
本文编号：2938161
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常见的各种能量采集装置
第1章绪论3图1-2竖直放置的压电装置图1-3Ramlan建立的模型Moehilis等[24]探究了压电能量采集装置在正弦激励下的非线性响应特性，设计了一种具有负刚度的压电装置并探究实际的能量采集效果。Ramlan等[25]提出一种双弹簧系统，如图1-3，通过软件验证非线性系统具有更高的输出能力。2013年，李欣欣等[26]针对于微小机构制造了一款MEMS的压电发电机构，如图1-4所示，在加载幅值为1g时，可在9-19Hz的范围内产生1.5μw的平均功率。安装在汽车座椅上测试，可获得1.11V的峰值电压和123nW的峰值功率。2016年，南京大学的吴义彭[27]等提出了一种变频能量采集器。如图1-5，组成非线性能量采集装置的2个基板通过非对称设计，工作时通过主梁拾取环境低频振动并带动副梁进行二次振动，由于二次谐振比激励频率高三倍，从而使能量采集器实现了变频采集。降低了噪音并增加了能量收集器的寿命。进行探索，而引入非线性特性的双稳态能量采集器具有在某一激励频率范围内产生大响应的特点，可以很好的解决共振频率宽度过窄这一问题。实现双稳态系统的方法基本包括两大类，第一种是利用永磁体的磁力进行干涉，使能量采集系统产生两个稳定位置和一个不稳定位置；第二种是向能量采集系统施加一个预应力，这样在收到外界激励时，能量采集系统就会改变自身状态，实现双稳态或者多稳态的切换，下面对这两类实现方式的研究进行介绍。1.2.1磁力式双稳态压电装置2009年，Erturk等[22]利用磁铁的排斥力设计验证了一种双稳态压电能量采集器，如图1-2。受到外界激励频率为5-8Hz时，输出功率为1.2-10mw。但由于磁铁位置固定，会产生一定的随机共振现象且无法调整。2011年，Erturk等[23]对设计一种Duffing振子，克服了重力在竖直方向的不良影响。
第1章绪论3图1-2竖直放置的压电装置图1-3Ramlan建立的模型Moehilis等[24]探究了压电能量采集装置在正弦激励下的非线性响应特性，设计了一种具有负刚度的压电装置并探究实际的能量采集效果。Ramlan等[25]提出一种双弹簧系统，如图1-3，通过软件验证非线性系统具有更高的输出能力。2013年，李欣欣等[26]针对于微小机构制造了一款MEMS的压电发电机构，如图1-4所示，在加载幅值为1g时，可在9-19Hz的范围内产生1.5μw的平均功率。安装在汽车座椅上测试，可获得1.11V的峰值电压和123nW的峰值功率。2016年，南京大学的吴义彭[27]等提出了一种变频能量采集器。如图1-5，组成非线性能量采集装置的2个基板通过非对称设计，工作时通过主梁拾取环境低频振动并带动副梁进行二次振动，由于二次谐振比激励频率高三倍，从而使能量采集器实现了变频采集。降低了噪音并增加了能量收集器的寿命。进行探索，而引入非线性特性的双稳态能量采集器具有在某一激励频率范围内产生大响应的特点，可以很好的解决共振频率宽度过窄这一问题。实现双稳态系统的方法基本包括两大类，第一种是利用永磁体的磁力进行干涉，使能量采集系统产生两个稳定位置和一个不稳定位置；第二种是向能量采集系统施加一个预应力，这样在收到外界激励时，能量采集系统就会改变自身状态，实现双稳态或者多稳态的切换，下面对这两类实现方式的研究进行介绍。1.2.1磁力式双稳态压电装置2009年，Erturk等[22]利用磁铁的排斥力设计验证了一种双稳态压电能量采集器，如图1-2。受到外界激励频率为5-8Hz时，输出功率为1.2-10mw。但由于磁铁位置固定，会产生一定的随机共振现象且无法调整。2011年，Erturk等[23]对设计一种Duffing振子，克服了重力在竖直方向的不良影响。
【参考文献】：
期刊论文
[1]磁致伸缩振动能量采集器的研究进展[J]. 曹淑瑛,孙帅帅,郑加驹,王雪源,韩恭万,刘璐. 微纳电子技术. 2017(09)
[2]微型电容式振动能量采集器设计[J]. 尹春风,姜世杭,顾卿赟. 农业装备技术. 2014(05)
[3]双稳态系统中随机共振和相干共振的相关性[J]. 董小娟,晏爱君. 物理学报. 2013(07)
[4]双稳态压电悬臂梁发电系统的动力学建模及分析[J]. 孙舒,曹树谦. 物理学报. 2012(21)
[5]压电振动能量收集装置研究现状及发展趋势[J]. 刘祥建,陈仁文. 振动与冲击. 2012(16)
[6]电容式集能转换器的调理拓扑分析与优化[J]. 于春辉,张黎,黄金鑫,李庆民. 电力系统自动化. 2012(09)
[7]压电发电技术研究综述[J]. 王剑,郭吉丰,郭帅. 压电与声光. 2011(03)
[8]压电效应及其在材料方面的应用[J]. 阎瑾瑜. 数字技术与应用. 2011(01)
[9]基于MEMS技术的三明治型电磁式微振动能量采集器[J]. 王佩红,刘慧婷,杨卓青,戴旭涵,赵小林. 纳米技术与精密工程. 2010(06)
[10]微型压电振动能量采集器的研究进展[J]. 唐刚,刘景全,马华安,柳和生. 机械设计与研究. 2010(04)
博士论文
[1]双稳态压电悬臂梁俘能器的动态响应及发电性能研究[D]. 郭抗抗.天津大学 2015
本文编号：2938161
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlidianqilunwen/2938161.html
