行走压能PVDF压电集能器的构成与性能表征

发布时间：2020-10-16 02:43

　　 人体不仅具有取之不尽的充沛的能量,而且可以在行走中收集,为满足其在日常行走中持续发电提供了良好的能量来源。特别是足部产生的能量大,备受研究者们的青睐。压电式因具有直接将机械能转换成电能等优点,采用压电式收集人体能量是当前研究的热点。本文在国内外研究的基础上,从结构设计、理论研究及实验研究三方面开展了压电式收集足部的能量的研究。首先,综合考虑PVDF压电薄膜的性能、鞋样结构的限制等因素,设计与制作了平板式、C形、拱形及zigzag形四种压电集能器单元收集足部能量。并初步探讨了其输出性能。还将C形结构和现有的拱形结构进行了对比,比较了优劣。基于以上的研究与分析,初步探讨了它们作为压电集能器收集足部能量的优势。选取了平板式、C形压电集能器单元作为主研究对象,并设计了相应的阵列结构,分别为基于平板式的阵列平板式与基于C形结构的球形压电集能器。在1Hz频率和500N的冲击力下,平板结构、C形结构、拱形结构和zigzag结构的能量密度分别为0.5333μW/cm~3、1.0417μW/cm~3、1.5500μW/cm~3以及3.3583μW/cm~3。通过对单个波的特征参数进行分析,确定了冲击力下表征电能量的方式和方法以及他们之间的关系,通过其分析了不同结构的输出性能。最后,总结了PVDF压电薄膜在制成相应的压电片及与基质层组合时出现的问题和注意事项。其次,针对平板式集能器进行了一系列的研究。通过相关理论,计算了整片(未分段电极,UE)压电结构、两个半片压电结构串联(分段电极串联,SES)及两个半片压电结构并联(分段电极并联,SEP)三种形式的输出性能之间的关系,后来在冲击力下的实验中验证了三者的实验结果与理论结果一致。在平板式集能器的制作过程中发现不同绝缘层对输出性能有一定的影响,当上下绝缘层都选用PE保鲜膜时,输出电压峰峰值最大。研究了静置载荷对平板式集能器的输出电压的影响,在5kg的重量内,电压峰峰值随载荷变化的曲线可拟合成幂函数。相关度可达0.99389。在微小的重力实验的研究中,平板式集能器的输出电压峰峰值随着质量块重量增加而增加,也随着下降高度的增加而增加。在简谐力的作用下,随着频率的增加,其输出电压峰峰值也相应增加。将其直接置于鞋的脚后跟,发现随着步频的增加,输出电压峰峰值也相应增加,在跑步机速度为6km/h,输出电压峰峰值可达13.4V。通过对简谐力以及步行下的单个波形进行了特征参数的分析,确定了这两种方式下表征电能量的方式和方法以及他们之间的关系,分析了不同激励方式对平板式集能器的特征参数间的影响。研究了平板式集能器在多个循环踩压下的性能,可知,在踩压时,电压峰峰值具有很大的波动性,循环1600多次后,它的电压峰峰值与前期的电压峰峰值差不多,仍能保持较好的压电性能。然后,将基于平板式集能器的阵列平板式集能器放于脚后跟处的鞋垫,研究了阵列情况下的各种输出性能。测量了在相同情况下的单个集能器单元的电压输出及两个集能器单元串联的电压输出,通过比较发现两者间基本没有相位差。因此,在测试直流输出时,为了减少整流桥对集能器输出的损耗,可以选择先连接后整流的方式。研究了将阵列式压电集能器中的压电单元直接并联后的输出特性,负载为510kΩ时,人在3km/h运行的跑步机上行走,得到的电压有效值为0.1350V,电流有效值为0.2648μA,平均功率约为0.0358μW。将压电集能器单元先串联后接整流桥,采用电容测量它在3km/h运行的跑步机上行走时的电量储存,测得电容在4min内储存11.84μC的电荷量,电容两端的电压与时间呈线性相关,相关度为0.96763。将压电集能器单元并联后接整流桥再连接电容,测得电容4min内能储存58.93μC的电荷量,电容两端的电压与时间呈指数相关,相关度为0.9906。另外,对C形压电集能器进行了研究。介绍了C形压电集能器的大变形的理论模型,分析了集能器尺寸对输出性能的影响,并探讨了C形压电集能器在成形的制作过程中遇到的问题与解决方法。研究了静置载荷对C形压电集能器的输出性能的影响:质量块重量未达到C形结构下降临界值时输出电压低,达到时输出电压剧增,超过下降5mm高度的重量时,虽下降高度保持不变,随着质量块的增加输出电压也增加。还研究了压电片长度及集能器的竖直高度对输出性能的影响:随着压电片长度的增长,C形集能器的输出电压峰峰值变大,随着集能器竖直高度的下降,输出电压峰峰值随着增大。还比较了竖直高度为3cm时理论值与实验值的大小关系,压电片长度为4cm时的电量输出可达理论值的31.4%。通过对C形压电集能器的单个波形的特征参数进行分析,证明了压电片长度和集能器高度的变化会影响特征参数间的关系。最后,对球形压电集能器进行了研究。在制作过程中,考虑到C形压电集能器实验时的问题,对其结构制作进行了优化,因C形结构在变形过程中,芳纶长丝束偶尔有要滑入弹簧钢细缝中的趋势,选用螺钉和螺帽进行固定避免了这个问题,还对球形压电集能器中各单元的接触点进行了固定。考虑了C形结构制成球形结构后单片压电单元输出性能的损失,制作了C形、圆形、球形三种集能器并进行了性能研究,相对于C形压电集能器的输出电压来说,球形压电集能器的损耗比圆形的大,最大可达25%。在实验研究中,在相同情况下测试了球形阵列式集能器的各个单元的输出性能及串联后的输出性能,发现串联输出的电压远小于各个单元的输出电压之和,说明各个集能器单元间具有相位差。而各自通过整流后再串联的输出电压与各个单元整流后的输出电压之和基本一致,说明各自整流后再连接可以提高输出性能。研究了球形压电集能器在多个循环踩压下的性能,在多达600次踩压后的电压峰峰值与前期的电压峰峰值相差不大,且没有下降,仍能保持较好的压电性能。球形压电集能器的压电单元整流后并联,然后接680kΩ电阻,固定集能器的下降高度为5mm,在约1Hz频率的踩压下,可得到的有效电压为0.2158V,有效电流为0.3174μA,平均功率为0.0685μW。每个集能器单元全桥整流后并联再连接电容时,在约1Hz频率的踩压下,储存电荷量随时间变化的曲线可以拟合为指数曲线,相关度为0.98106,且4min内存储了14.48μC的电荷量。阵列平板式集能器产生的电量与舒适性都优于球形压电集能器。
【学位单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP368.33
【部分图文】：

围识别的安全类应用设备[31]。这方面的设备主要有用来识别当前所位系统等。可穿戴集能器可为这类安全类可穿戴电子设备供电。另究可穿戴电子集能器为军事领域中的智能防护装具等防护个人安电。三方面：生活娱乐与游戏类方面的应用。如给手机及可以同步手络实现多功能的智能眼镜和智能手表等的供电。体可释放能量的种类与收集方式人体能量的种类体所能提供的能量可以简单的分为两类：化学能和物理能[32]。图 种能量的分类。其中，化学能基本都是为体内医疗装置供电，如心线内窥镜胶囊等。物理能一般都是为体外电子设备供电，如健康监测电、照明、智能手表等。葡萄糖

图 1-2 括号外为人体驱动产生的能量；括号中为每个运动产生的总能量igure 1-2 Power from body-driven sources is outside the parentheses; total powaction is included in parentheses[3]为体外电子设备供电的能量研究的最多的是动能，因为动能不仅产，而且能产生动能的运动也多，如打字，行走，甩动手臂等。从图 1-2底运动产生的能量最高（括号内），目前收集到的能量也是最高，非种低能耗电子供电。另外，足部由于鞋子的存在，更易于集能器结构装，因此，相比其他部位动能的收集，足部动能的研究最多。2）人体能量的收集方式针对人体不同的能量，收集方式也不相同。研究者们研究的方法主磁、压电、静电、摩擦起电、生物燃料电池，利用这些方法收集能量密度如表 1-3 所示，摩擦起电集能器的产生的能量密度最大，其实验 490mJ/cm3，热电集能器的实验值最低。而另外三种动能的收集方式压电＞电磁＞静电。

58]。图1-3 足部骨骼结构Figure 1-3 Foot skeleton structure在人体站立时，足部仅以跟骨、第一跖骨和第五跖骨着地，共同承受全身的重量，当人体开始步行后，第一跖骨、第二跖骨和第五跖骨承重增加，跟骨承重减小[48, 58]。由此可知，人体主要靠足部承受压力，依靠足弓吸收足部受到的冲击力，帮助完成站立、行走、跑步、跳跃等动作[48, 58]。一般情况下，足底各个部位可以如图1-4一样简单划分来进行足部压力分布的研究。趾骨跖骨跗骨跟骨
【参考文献】

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本文编号：2842638