双压电层悬臂梁式振动能量收集器的设计与实现

发布时间：2017-06-20 08:10

  本文关键词：双压电层悬臂梁式振动能量收集器的设计与实现，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年,随着无线传感网络和低功耗产品的快速发展,其能源的供应问题也越来越突出,其中能量收集技术的解决方案以其具有绿色无污染、可持续性强、环境适应性好等特点逐渐吸引了各领域研究人员的关注。能量收集技术的收集对象包括了振动能、太阳能、风能以及温差能等能量源,其中振动能不受地域、时间的限制,使得基于振动能的能量收集器技术具有广泛的应用前景。同时,振动能量收集技术的实现方案包括了压电式、电磁式以及静电式,压电式的实现方案具有机电转化效率高、与MEMS技术融合性好等特点也成为了本课题的研究重点。本课题中将以压电悬臂梁作为主要的功能结构,悬臂梁结构因其结构简单、转化效率高等特点也是研究人员采用最多的结构。同时,为了提高能量收集器的输出功率,本课题将采用双压电层悬臂梁结构。环境中存在着多种振动能,其振动的频率也各不相同,本课题首先确定了能量收集器要应用的环境及频率范围,并通过对比各种压电材料的优缺点得到将要使用的压电材料;接着对悬臂梁式能量收集器建立了单自由度弹簧质量块系统模型和等效电路,定性分析了影响能量收集器输出功率的相关因素,利用Simulink对能量收集器系统建模分析其开路电压的频率响应;然后对实验室已有的能量收集器进行测试,将得到的数据与COMSOL Multiphysics有限元仿真软件建模得到仿真结果对比,以验证仿真建模的正确性。进而利用COMSOL Multiphysics对压电式悬臂梁能量收集器进行设计,得到压电悬臂梁的最佳尺寸以及质量块质量;最后根据结构仿真的结果制作一定尺寸的双压电层悬臂梁式振动能量收集器,并且搭建实验测试平台,对制作的能量收集器进行测试,并与仿真结果进行对比。
【关键词】：无线传感网络 能量收集 压电悬臂梁 仿真建模 实验测试
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM619
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义9-10
• 1.2 振动式能量收集器的研究现状10-17
• 1.2.1 静电式振动能量收集器的研究现状10-12
• 1.2.2 电磁式振动能量收集器的研究现状12-14
• 1.2.3 压电式振动能量收集器的研究现状14-17
• 1.3 主要研究内容17-19
• 第2章 悬臂梁式压电振动能量收集器的工作原理19-31
• 2.1 引言19
• 2.2 压电材料及其压电效应19-21
• 2.2.1 压电效应19-20
• 2.2.2 压电材料的选择20-21
• 2.3 机电转换模式21-22
• 2.4 悬臂梁式压电振动能量收集器的建模与分析22-29
• 2.4.1 单自由度弹簧质量块系统模型的建立22-24
• 2.4.2 悬臂梁式能量收集器等效电路的建立24-29
• 2.5 本章小结29-31
• 第3章 压电式悬臂梁能量收集器的设计仿真31-44
• 3.1 引言31
• 3.2 悬臂梁式压电能量收集器的建模31-33
• 3.3 能量收集器的建模验证33-35
• 3.4 悬臂梁结构的尺寸分析35-38
• 3.4.1 长度对共振频率的影响35-36
• 3.4.2 宽度对共振频率的影响36-37
• 3.4.3 厚度对共振频率的影响37-38
• 3.5 悬臂梁结构的仿真计算38-43
• 3.6 本章小结43-44
• 第4章 压电式能量收集器的制作与测试44-51
• 4.1 引言44
• 4.2 压电悬臂梁的制作过程44-45
• 4.3 振动台系统的搭建45-46
• 4.4 能量收集器的测试46-49
• 4.5 误差分析49-50
• 4.6 本章小结50-51
• 结论51-52
• 参考文献52-57
• 致谢57

  本文关键词：双压电层悬臂梁式振动能量收集器的设计与实现，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：464971