桥式非线性压电振动能量收集装置研究

发布时间：2020-06-23 12:33

【摘要】：在车辆、桥梁和道路等环境中存在着丰富的振动能,利用这些振动能为超低功耗无线传感器供电,成为了近年来研究的热点。压电式能量采集器是一种基于正压电效应的振动能量采集器,结构简单,能够提供稳定的电压输出。然而,大部分的压电振动能量采集器只有在谐振频率下才有着较为理想的输出,一旦外部的激振频率偏离了谐振频率,电压输出会大幅下降,难以满足用电器的需要。因此,针对这种工作频带较窄的问题,本文提出了一种桥式压电能量收集装置,以拓宽能量采集的频带,并且该装置能够自适应调节系统的固有频率,与外部激励频带匹配。首先,本文根据二维非线性Euler-Bernoulli梁假设,得到了大变形应变-位移的几何非线性关系;利用Hamilton原理得到了系统的分布参数动力学模型,通过Galerkin离散得到了系统的一阶响应方程,经过变分和无量纲化,得到了无量纲的机电耦合方程;基于谐波平衡法对机电耦合方程进行求解,得到了电压幅值和平均功率的近似求解表达式。然后,利用Matlab软件,对该模型进行解析分析和数值求解,研究了激振频率、激励振幅、质量块位置和负载对桥式压电能量收集装置的输出的影响,并进一步探究了移动质量块对输出电压的影响;基于Multiphysics COMSOL多物理场有限元软件,得到了不同质量块位置下桥式压电能量采集器的模态振型和输出电压。最后,设计并制作了桥式压电能量收集装置的样机以及实验基座,通过实验,得到了不同激励条件和质量块位置下的桥式压电能量收集装置的一阶电压响应曲线。实验结果表明,桥式压电能量采集器结构能够拓宽能量采集的工作频带,并且当质量块位于压电梁边缘时的输出电压最大。此外,还通过实验测试了移动质量块对输出特性的动态影响,发现移动质量块能够通过改变桥式压电梁结构的谐振频率和与压电梁发生冲击,提升桥式能量收集装置的电压输出。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM619
【图文】：

悬臂梁结构,压电,采集器

重庆大学硕士学位论文1.2 电式振动能量采集装置国内外研究现状压电振动能量采集技术涉及机械、力学、材料、电子等诸多学科，引起了众多不同领域研究人员的关注。纵览压电振动能量采集器的研究历史，研究人员都在不断尝试多种结构，不同的压电材料，更高效的接口存储电路，提高能量转化效率，获得最佳的能量采集性能。1.2.1 压电能量采集器的结构对压电能量采集器结构的研究是这一领域的热点。通过优化结构，可以根据实际使用需要来不断调整压电能量采集器的性能特点。压电能量采集器大多采用了悬臂梁式结构。悬臂梁式压电能量采集器结构简单，易产生相对较大的应变，因此得到了广泛地设计和研究。常用的悬臂梁结构分为单晶片和双晶片，如图 1.1 所示。单晶悬臂梁式压电能量采集器由一层金属基板和一层压电陶瓷晶片构成；双晶悬臂梁式压电能量采集由一层位于中间的金属基板和两侧的压电陶瓷晶片构成。

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悬臂梁式压电能量采集器由一层金属基板和一层压电陶瓷晶片构成；双式压电能量采集由一层位于中间的金属基板和两侧的压电陶瓷晶片构成(a) 单晶片 (b) 双晶片图 1.1 压电悬臂梁结构Fig.1.1 Structure of the piezoelectric cantilever悬臂梁结构的共振频率往往远高于外部环境的激励频率，所以通常会在动端增加一个质量块，使共振频率降低[5-6]，提高其使用效率。Elvin[7]等电材料制作了简支弯曲梁，将结构系统中的机械应变能转换为电能，实现测系统的全周期自我供电。Jeon[8]等人研制了一种基于 MEMS 技术的 P膜能量采集器，如图 1.2 所示。

【参考文献】