非线性三稳态压电振动能量采集器的基础理论与实验研究
发布时间：2021-01-13 18:58
微机电系统技术与无线传感器网络的飞速发展使得传统电池不再适应低功耗电子产品的供电需求。电池供电利用率低、质量大、体积大、功能寿命有限等缺点随着电子产品的不断小型化、微型化而日渐明显。因此寻求一种可持续、环保的新型能源代替电池成为当前发展的迫切需要。振动能量因其无处不在,且无污染等优点成为当前替代电池的新能源,而如何采集并高效利用这些振动能量成为目前的研究热点。压电振动能量采集技术就是利用压电陶瓷的压电效应采集环境中的振动能量再将其转化为电能给一些低功耗电子器件供电。现有的压电振动能量采集器主要是以压电悬臂梁为主的线性谐振式振荡器,具有结构简单、易于实现、能量转换效率高等优点,但也有工作频带窄,采集效率低等缺点。与单稳态和双稳态能量采集器相比,三稳态压电能量采集器具有更优良的输出特性,更适合于微功耗电子产品的供电需求并成为当前的研究热点。如何拓展压电振动能量采集器的工作带宽和提高能量采集的效率使之更具实用性是当前迫切需要解决的主要问题。基于磁铁耦合的压电悬臂梁三稳态能量采集器是当前主流的研究结构。大量研究成果表明该类能量采集器具有较高的输出性能和较宽的工作频带。但是,在一些磁场干扰较强的...
【文章来源】：浙江工商大学浙江省
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
压电陶如图1-2所示为Rijeka[22]大学研发出
41.2.3压电能量采集技术的应用现状随着压电能量采集技术的不断发展，其优势逐渐突出，人们开始在实际生活中应用一些相关的能量采集装置。主要应用到可穿戴设备、远程传感器节点（包括网状网络）、移动传感器（如气体检测器）和运动检测器方面[20]。最常见的便携式换能器就是压电陶瓷打火机，如图1-1所示，内设压电陶瓷元件作为发火机构。利用压力使压电陶瓷内部的正负电荷移位，从而引起极化现象，导致材料两端表面出现符号相反电荷，此时会将机械能转换为电能，并在尖端放出瞬时高压电火花点燃燃料[21]。图1-1压电陶瓷打火机如图1-2所示为Rijeka[22]大学研发出以压电式能量采集结构为轮胎监测系统供电的装置。只需在车轮上安装此装置，在汽车行驶过程中就可以利用轮胎产生的振动使压电片产生形变，进而将机械能转化为电能为压力监测系统的传感装置供能，以便于实时监测轮胎气压，减少车辆事故的发生。此类技术推动了压电能量采集技术在实际应用中的发展。图1-2压电式轮胎检测装置1.3存在的问题及不足
20图3-1基于磁-机耦合的压电振动能量采集器PeiZhu错误!未找到引用源。等人在双稳态压电能量采集器的基础上进行改进优化，在悬臂梁末端横向水平位置添加一块外部磁体，搭建了基于磁-机耦合的三稳态压电振动能量采集器，依据此装置重点探究了系统在三种不同势能阱状态下的输出特性的差异。对比仿真与实验结果发现：只有当系统处于稳定的三稳态特性时，势能阱大小才会大致相同，此时能量采集系统的工作频率带宽最大，且采集效率最高。但是温度、空间、磁尝角度等因素对磁铁磁性都有影响，这会导致采集器的输出特性不稳定，这使得采集器的应用更困难。Cao错误!未找到引用源。等提议将质量弹簧模型加入到压电振动能量采集装置，并且研究了该系统的光滑不连续和几何非线性特征。韩彦伟错误!未找到引用源。等提出基于非线性弹簧的三稳态几何非线性系统，深入地研讨了系统的动力学问题以及几何非线性特征，并揭示了其本质属性，同时通过建立SD振子系列的多稳态几何非线性抽象模型，探讨了复杂的动力学应用机理，这些理论研究和实验为实际工程应用方面提供必了要的保障。本论文以大量的实验研究为基础，提出了一种新型基于末端弹性元件耦合的非线性三稳态压电振动能量采集器，将两个线性弹簧设置在压电双晶悬臂梁末端质量块的一侧，且关于悬臂梁中心轴对称。当在压电双晶悬臂梁上施加外部激励时，末端质量块会上下摆动，同时带动两个连接在质量块上的线性弹簧，使其分别产生压缩或者拉伸的变形，此时能量采集装置的几何构形也会随之变化，进而引起压电振动采集器作非线性振动。遵循能量守恒定律将非线性三稳态压电振动能量采集器等效为非线性动力学模型，建立动力学方程并进行仿真分析，研究改变系统参数时静力学和动力学特性的变化。
【参考文献】：
期刊论文
[1]CaBi2Ta2O9基压电陶瓷的A位掺杂改性研究[J]. 钟建强,王丹,石钰琳,陈强. 压电与声光. 2019(04)
[2]多稳态压电振动能量采集器的动力学模型及其特性分析[J]. 王光庆,崔素娟,武海强,王学保,李秀玲. 振动工程学报. 2019(02)
[3]高温压电材料、器件与应用[J]. 吴金根,高翔宇,陈建国,王春明,张树君,董蜀湘. 物理学报. 2018(20)
[4]基于随机振动响应的结构非线性参数识别[J]. 张鹏飞,付玮,苏华昌,吴家驹. 航天器环境工程. 2017(06)
[5]可更换式多方向振动能量收集装置优化研究[J]. 张旭辉,吴中华,邓鹏飞,赖正鹏,樊红卫. 压电与声光. 2017(04)
[6]带弹性放大器的双稳态压电振动能量采集器[J]. 杨斌强,徐文潭,王学保,李秀玲,王光庆. 传感技术学报. 2017(05)
[7]温度场下非等温结晶对低密度聚乙烯空间电荷特性的影响[J]. 张灵,周远翔,滕陈源,张云霄,陈明,程子霞. 高电压技术. 2017(02)
[8]一种非线性系统的弹簧力确定方法[J]. 秦锦,张玉杰,高宏. 航空科学技术. 2016(07)
[9]非线性磁式压电振动能量采集系统建模与分析[J]. 唐炜,王小璞,曹景军. 物理学报. 2014(24)
[10]压电振动能量收集系统中二极管整流电路的RC等效模型分析[J]. 白凤仙,包华宇,董维杰,夏书峰. 电源学报. 2014(03)
博士论文
[1]一类几何非线性系统的动力学行为及应用研究[D]. 韩彦伟.哈尔滨工业大学 2015
硕士论文
[1]基于非线性动力学理论的弹性杆拓扑构型分析[D]. 赵彬.天津大学 2012
[2]幅度增量变分原理及其在强非线性振动中的应用[D]. 张媛媛.哈尔滨工程大学 2013
[3]双旋石英晶体板的高频振动分析[D]. 王文军.宁波大学 2012
本文编号：2975396
【文章来源】：浙江工商大学浙江省
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
压电陶如图1-2所示为Rijeka[22]大学研发出
41.2.3压电能量采集技术的应用现状随着压电能量采集技术的不断发展，其优势逐渐突出，人们开始在实际生活中应用一些相关的能量采集装置。主要应用到可穿戴设备、远程传感器节点（包括网状网络）、移动传感器（如气体检测器）和运动检测器方面[20]。最常见的便携式换能器就是压电陶瓷打火机，如图1-1所示，内设压电陶瓷元件作为发火机构。利用压力使压电陶瓷内部的正负电荷移位，从而引起极化现象，导致材料两端表面出现符号相反电荷，此时会将机械能转换为电能，并在尖端放出瞬时高压电火花点燃燃料[21]。图1-1压电陶瓷打火机如图1-2所示为Rijeka[22]大学研发出以压电式能量采集结构为轮胎监测系统供电的装置。只需在车轮上安装此装置，在汽车行驶过程中就可以利用轮胎产生的振动使压电片产生形变，进而将机械能转化为电能为压力监测系统的传感装置供能，以便于实时监测轮胎气压，减少车辆事故的发生。此类技术推动了压电能量采集技术在实际应用中的发展。图1-2压电式轮胎检测装置1.3存在的问题及不足
20图3-1基于磁-机耦合的压电振动能量采集器PeiZhu错误!未找到引用源。等人在双稳态压电能量采集器的基础上进行改进优化，在悬臂梁末端横向水平位置添加一块外部磁体，搭建了基于磁-机耦合的三稳态压电振动能量采集器，依据此装置重点探究了系统在三种不同势能阱状态下的输出特性的差异。对比仿真与实验结果发现：只有当系统处于稳定的三稳态特性时，势能阱大小才会大致相同，此时能量采集系统的工作频率带宽最大，且采集效率最高。但是温度、空间、磁尝角度等因素对磁铁磁性都有影响，这会导致采集器的输出特性不稳定，这使得采集器的应用更困难。Cao错误!未找到引用源。等提议将质量弹簧模型加入到压电振动能量采集装置，并且研究了该系统的光滑不连续和几何非线性特征。韩彦伟错误!未找到引用源。等提出基于非线性弹簧的三稳态几何非线性系统，深入地研讨了系统的动力学问题以及几何非线性特征，并揭示了其本质属性，同时通过建立SD振子系列的多稳态几何非线性抽象模型，探讨了复杂的动力学应用机理，这些理论研究和实验为实际工程应用方面提供必了要的保障。本论文以大量的实验研究为基础，提出了一种新型基于末端弹性元件耦合的非线性三稳态压电振动能量采集器，将两个线性弹簧设置在压电双晶悬臂梁末端质量块的一侧，且关于悬臂梁中心轴对称。当在压电双晶悬臂梁上施加外部激励时，末端质量块会上下摆动，同时带动两个连接在质量块上的线性弹簧，使其分别产生压缩或者拉伸的变形，此时能量采集装置的几何构形也会随之变化，进而引起压电振动采集器作非线性振动。遵循能量守恒定律将非线性三稳态压电振动能量采集器等效为非线性动力学模型，建立动力学方程并进行仿真分析，研究改变系统参数时静力学和动力学特性的变化。
【参考文献】：
期刊论文
[1]CaBi2Ta2O9基压电陶瓷的A位掺杂改性研究[J]. 钟建强,王丹,石钰琳,陈强. 压电与声光. 2019(04)
[2]多稳态压电振动能量采集器的动力学模型及其特性分析[J]. 王光庆,崔素娟,武海强,王学保,李秀玲. 振动工程学报. 2019(02)
[3]高温压电材料、器件与应用[J]. 吴金根,高翔宇,陈建国,王春明,张树君,董蜀湘. 物理学报. 2018(20)
[4]基于随机振动响应的结构非线性参数识别[J]. 张鹏飞,付玮,苏华昌,吴家驹. 航天器环境工程. 2017(06)
[5]可更换式多方向振动能量收集装置优化研究[J]. 张旭辉,吴中华,邓鹏飞,赖正鹏,樊红卫. 压电与声光. 2017(04)
[6]带弹性放大器的双稳态压电振动能量采集器[J]. 杨斌强,徐文潭,王学保,李秀玲,王光庆. 传感技术学报. 2017(05)
[7]温度场下非等温结晶对低密度聚乙烯空间电荷特性的影响[J]. 张灵,周远翔,滕陈源,张云霄,陈明,程子霞. 高电压技术. 2017(02)
[8]一种非线性系统的弹簧力确定方法[J]. 秦锦,张玉杰,高宏. 航空科学技术. 2016(07)
[9]非线性磁式压电振动能量采集系统建模与分析[J]. 唐炜,王小璞,曹景军. 物理学报. 2014(24)
[10]压电振动能量收集系统中二极管整流电路的RC等效模型分析[J]. 白凤仙,包华宇,董维杰,夏书峰. 电源学报. 2014(03)
博士论文
[1]一类几何非线性系统的动力学行为及应用研究[D]. 韩彦伟.哈尔滨工业大学 2015
硕士论文
[1]基于非线性动力学理论的弹性杆拓扑构型分析[D]. 赵彬.天津大学 2012
[2]幅度增量变分原理及其在强非线性振动中的应用[D]. 张媛媛.哈尔滨工程大学 2013
[3]双旋石英晶体板的高频振动分析[D]. 王文军.宁波大学 2012
本文编号：2975396
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