新型压电器件的机电耦合特性分析与实验研究

发布时间：2018-12-14 08:12

【摘要】：随着电子科学和材料科学技术的进步,以压电材料为能量转换核心的压电器件不断向集成化、微型化、智能化、轻质化和低功耗的方向快速发展,并出现了一些列新型压电器件,如压电能量采集器、压电超声波驱动器、压电振动传感器等。这些新型压电器件广泛应用于无线传感网络、便携式电子设备和精密驱动与控制系统中。目前,在无线传感网和便携式智能设备等低功率微型电子产品中,传统的电化学电池日益突显出寿命短、污染环境和频繁定期更换电池等缺点,因此,研究可持续且无污染的新型能源代替电化学电池为微型电子产品供电已成为当前迫切需要解决的瓶颈问题。基于正压电效应的新型压电器件——压电能量采集器是解决该问题的有效方法之一,它因具有无电磁干扰、环保、高能量密度和体积小等优点吸引了广大学者的研究兴趣,并围绕结构设计、振动模式和能量采集电路等方面展开研究,但从未涉及到能量采集电路与压电晶体之间的阻抗匹配问题,从而损耗掉大量的能量,致使能量转换率较低。此外,基于逆压电效应实现驱动功能的压电器件——压电超声波电机由于具有精密定位和良好的控制性能,在很多领域已经取代了传统的电磁型电机。但这种新型压器件的输出功率比较低,一般不超过50%,大部分能量都以热量的形式损耗掉了,造成能源的极大浪费。因此,如何有效地提高压电器件的输出功率和减少能量损耗已经是亟待解决的关键技术问题。论文以压电能量采集器和压电超声波电机这两种新型压电器件为研究对象。针对压电能量采集器,设计了典型的压电能量采集器结构,综合考虑结构因素和力电耦合因素,利用ADPL命令流对压电能量采集器进行了研究分析,并实现了输出功率的优化,为能量采集电路提供了阻抗依据。同时,针对上述能量采集器谐振频率单一、窄工作频带等缺陷,提出了一种带有弹性放大器的宽频压电振动能量采集器,建立了这种能量采集器的有限元机电耦合分析模型,分析了结构参数对能量采集器输出性能的影响规律,研制能量采集器物理样机,搭建了相关实验系统,并进行了详细的实验研究。针对压电超声波电机,结合能量采集器的原理,改变了超声波电机环形压电晶体的划分模式,设计了集驱动和能量采集功能为一体的能量回馈型超声波电机,建立了超声波电机定子机电耦合有限元模型,分析了定子结构参数对器件振动特性以及电输出特性的影响。论文的主要研究内容如下：第一章介绍了论文的研究背景及意义,阐述了压电器件的分类及应用,详细综述了基于正压电效应的压电振动能量采集器和基于逆压电效应的压电超声波电机等压电器件的国内外现状,还指出了研究中所存在的问题及不足。第二章主要介绍了与论文研究工作有关的基础理论知识,包括压电陶瓷、压电效应、压电方程和振动理论等。结合基础理论知识,给出了悬臂梁压电振动能量采集器模型和环形夹心压电振子模型,基于Euler-Bernoulli梁理论建立了相应的弯曲自由振动微分方程,得到了相应的振型函数、频率方程及振动模态。第三章研究了单频悬臂梁压电振动能量采集器的结构设计和工作原理,详细介绍了基于ADPL的机电耦合模型建模步骤,仿真分析了能量采集器负载电阻等对振动特性与电输出特性的影响规律,并对能量采集器的输出功率进行了优化分析与设计,得到了系统最优匹配电阻。最后,研究分析了压电陶瓷电极连接(串联或并联)形式对悬臂梁能量采集器输出性能的影响。第四章重点研究了宽频振动能量采集器的设计和力电输出特性。提出了一种带有弹簧放大器的宽频压电振动能量采集器,综合考虑悬臂梁与电路、悬臂梁与弹簧系统之间的耦合关系,利用ADPL命令流建立了宽频压电能量采集器的机电耦合模型,仿真分析了系统质量比、刚度比、阻尼比和负载电阻对能量采集器力电输出特性的影响,并对能量采集器的功率优化和阻抗匹配问题进行了详细分析与研究。第五章研究了一种基于逆压电效应的新型压电器件——能量回馈型超声波电机,该电机集精密驱动与能量采集功能于一体。详细介绍了能量回馈型超声波电机环形夹心压电振子的结构设计思路,基于有限元法建立了机电耦合模型并进行了仿真分析,得到了压电振子的振动特性和电输出特性变化曲线。最后,研究了不同转换电路拓扑结构对压电振子的振动特性以及能量转换特性的影响。第六章研制了单频悬臂梁能量采集器和宽频振动能量采集器的样机模型,搭建了能量采集器的实验平台,详细介绍了实验系统的操作过程。最后,通过实验结果与有限元模型结果的比较与分析,验证了有限元仿真分析结果的正确性。
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【学位授予单位】：浙江工商大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN384

【参考文献】