多物理场耦合作用下基于PZT微能量收集器的研究

发布时间：2021-06-10 11:03

　　二十一世纪以来,微电子技术及超大规模集成电路不断突破,微处理器及无线传感器的功耗则不断降低,体积不断减小。而与之相应的传统化学电池的发展速度却明显滞后,其体积大,寿命短和储能密度低等问题日渐凸显,成为抑制微电子器件发展的首要短板。压电能量收集技术旨在为户外无线传感器、便携式微电子设备辅助供能,基于压电效应,通过换能材料将环境中的振动能量转换成易于利用的电能,达到能量收集的目的。本文从压电转换分析、能量收集器的结构仿真设计、频域响应及阻抗匹配实验和温度场、磁场等外界物理场耦合等角度,对轮辐式压电振动能量收集器发电学输出进行研究。建立了压电悬臂梁、轮辐式固支梁结构的力学模型,推导出了影响谐振频率及幅值等力学性能的表达式。基于此,建立了压电能量收集器机电耦合模型,再结合运动微分方程及压电耦合方程,求解出了负载电压频域响应及匹配阻抗表达式,为下一步提高压电能量收集器性能提供理论支撑。建立了悬臂梁及轮辐式结构的有限元模型,利用COMSOL有限元多物理场耦合仿真软件进行了压电频域响应分析。对影响压电能量输出的参量包括梁型、基底厚度、压电层厚度以及基底材料等进行参数化讨论后,探究了其对压电振动系统工... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：81 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

阵列式压电悬臂梁

a）谢涛等人的阵列式悬臂梁[19]b）佘引等人的共质量块阵列悬臂梁[20]图 1-1 阵列式压电悬臂梁（2）分段式悬臂梁 由于阵列式压电悬臂梁虽然达到了提高带宽的目的，但不可避免的增大了整个装置的体积，因此 Lee[21]提出采用分段式压电悬臂梁的方式扩大带宽，实验模型及压电频域响应如图 1-2 所示。利用一个分段式压电悬臂梁达到了对两个相近频率振动的响应，达到了扩宽工作频带的目的。其针对特定环境下有若干个集中激振频率的振源，取得了良好的压电转换效果，解决了悬臂梁式压电能量收集器只有一个波峰的缺陷。

a）单自由度压电悬臂梁 b）双自由度分段压电梁图 1-3 程千驹的线性分段式压电悬臂梁模型[22]（3）非线性振动系统 通过引入外界应力方式达到调节系统阻尼属型的非线性拓宽频带的方式之一，该种方式明显不同于线性拓宽频带方常具有较宽的工作频带，其中通过使用永磁铁引入磁力[23-26]是一种较为的方法。图 1-4 展示了 Challa[25]提出的在振动系统中引入磁力的模型，压电悬臂梁受迫振动时的受力情况，通过磁力调节悬臂梁阻尼达到调节频率的目的，实验表明通过该方法可明显改善在不同频率振动作用下的输出，达到了拓宽频带的目的。a）Challa 磁力模型示意图 b）调节共振频率后电学输出图

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于柔性智能器件的心动能量收集技术研究进展[J]. 张阳阳,吕朝锋,冯雪.  中国科学:信息科学. 2019(04)
[2]三向压电悬臂梁振动能量采集器的研究[J]. 马骁骏,冷永刚,刘进军,范胜波.  振动与冲击. 2018(22)
[3]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)
[4]全方向振动能量收集系统[J]. 张旭辉,林然.  工矿自动化. 2015(01)
[5]MEMS压电阵列振动能量收集器[J]. 佘引,温志渝,赵兴强,邓丽城,尚正国.  传感技术学报. 2014(08)
[6]一种宽频的磁式压电振动能量采集器[J]. 马华安,刘景全,唐刚,杨春生,李以贵.  传感器与微系统. 2011(04)
[7]Rainbow型压电单膜片换能结构负载电压和输出功率分析[J]. 刘祥建,陈仁文.  航空学报. 2011(03)
[8]多悬臂梁压电振子频率分析及发电实验研究[J]. 谢涛,袁江波,单小彪,陈维山.  西安交通大学学报. 2010(02)

博士论文
[1]分段线性压电能量收集器的宽频俘能特性研究[D]. 程千驹.哈尔滨工程大学 2017
[2]基于压电厚膜的MEMS振动能量采集器研究[D]. 唐刚.上海交通大学 2013

硕士论文
[1]基于压电电磁的复合俘能技术研究[D]. 徐红斌.南京邮电大学 2018
[2]两端固支梁压电振动能量收集器的研究[D]. 刘兵.大连理工大学 2017
[3]基于谐振式悬臂梁的压电—电磁复合俘能技术研究[D]. 任佳琦.哈尔滨工业大学 2011



本文编号：3222257