胎压监测发电装置用压电振子优化设计与实验研究

发布时间：2017-09-22 18:14

  本文关键词：胎压监测发电装置用压电振子优化设计与实验研究

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【摘要】：近年来,我国汽车保有量呈爆炸式增长,汽车作为一种代步交通工具进入了寻常百姓家,交通问题不断涌现,大家愈发关心汽车出行的安全问题。轮胎对汽车来说有着不亚于引擎的地位,轮胎的气压对汽车的性能、动力有着至关重要的作用,它不仅影响驾驶的安全,还对汽车的油耗有一定的影响。轮胎的胎压已经成为影响行车安全的主要因素之一。目前,市场上的胎压监测产品工作时电能主要来自于电池,这种产品存在一定的缺陷,如电池的电量用完之后需要更换电池,而监测系统安装在轮胎内部,更换电池不方便,更换下来的电池会对环境造成污染;另外低温环境影响电池的化学反应,可能会导致电池供电不稳定。产品的缺陷主要是由电池引起的,因此,需要一种可以替代电池的供电装置,本文采用压电陶瓷作为发电装置的核心元件,实现了胎压监测系统的自供电。本文在国家自然科学基金项目《车轮振动压电俘能系统设计理论及其应用技术研究》的资助下,基于银电极分段的方法,将作为胎压监测系统发电装置核心元件的压电振子表面的银电极按比例分为三段,优化了发电装置的发电能力。主要内容如下:分析了压电振子的谐振性和不同频率下的振动模态。压电振子在不同的振动模态下的应变特点及输出性能是影响电量收集的主要因素之一,通过理论分析和实验验证的方法得到了不同振动模态下归一化应变与长度比的关系曲线。压电振子在不同的振动模态下,表面银电极的电荷正负性质会随着长度方向发生变化,单银电极的压电振子会发生正负电荷中和的现象,为了避免这种现象的发生,需要将银电极划分为多段,然后通过合理的收集电路,将电量收集到储能电容器中。通过理论分析,建立了银电极分段的压电振子的状态空间模型,介绍了三维坐标系下状态空间模型的各种参数,推导出了模型中每段银电极的输出电压计算公式。介绍了收集电路的四种连接方式,对于不同分段方式的银电极要选择合适的收集电路,可以是两种或多种收集电路的并联或串联。通过公式计算出了本文实验用的压电振子的输出电压,并通过后续实验验证了计算结果的正确性。通过对比三种不同分段方式的银电极的发电性能,探明了影响压电振子输出功率的因素,为胎压监测系统发电装置的优化提供了理论和实验依据。压电振子是发电装置的核心元件,在对压电振子进行优化设计时,其输出电压和输出功率可以作为压电振子发电能力的直接评价标准。第二种分段方式将银电极按照1:2:3的比例分为三段,输出功率大大提高,缩短了充电时间,有效提高了发电能力。探讨了银电极分为多段的压电振子从固定端到自由端每段银电极的输出电压的变化趋势,分为六段、十段、十五段银电极的变化趋势均呈线性规律,而且第一段银电极的输出电压相差不大,原因是固定端的应变很大,应变是影响输出电压的主要因素,银电极长度的影响相对较弱。将优化之后的发电装置安装在电动机的旋转装置上,在实验室进行了模拟实验。实验结果表明,在相当于平坦公路的实验条件下,压电发电装置仍然能够产生足够的电量。因此,采用银电极分段的方式对发电装置进行优化是一种有效的提高发电能力的方法。设计了合理的电量收集电路,通过比较不同储能元件的性能特点,最终选择了普通电容器作为储能元件。由于内阻会消耗部分输出功率,收集电路中需要接入一个电阻,分析了输出功率随外接电阻的变化规律,当外接电阻等于内阻时输出功率最大,最终通过实验验证了输出功率最大时外接电阻的大小约等于内阻的正确性。
【关键词】：压电发电 银电极 分段方法 电量收集 胎压监测
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U463.6
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-22
• 1.1 TPMS的研究背景及意义12-13
• 1.2 TPMS发展现状及趋势13-14
• 1.2.1 国外的发展现状13
• 1.2.2 国内的发展现状13-14
• 1.2.3 TPMS发展趋势14
• 1.3 TPMS的分类14-17
• 1.3.1 直接式TPMS15-16
• 1.3.2 间接式TPMS16
• 1.3.3 混合式TPMS16-17
• 1.4 压电发电技术的应用范例17-20
• 1.5 本文的研究意义及研究内容20-22
• 第2章 压电振子的发电理论基础22-34
• 2.1 压电材料的分类及性能参数22-25
• 2.1.1 压电材料的分类22-23
• 2.1.2 压电材料的性能参数23-25
• 2.2 压电效应25
• 2.3 压电发电装置模型的建立及分析25-28
• 2.4 压电振子简介28-31
• 2.4.1 压电振子的结构特点28-29
• 2.4.2 压电振子的粘贴制作过程29-30
• 2.4.3 压电振子的谐振性30
• 2.4.4 压电振子表面银电极的分段方式30-31
• 2.5 本章小结31-34
• 第3章 基于银电极分段方法的理论研究34-50
• 3.1 银电极分段方法的提出34-36
• 3.2 银电极分段的几种方式36-41
• 3.2.1 分段银电极压电振子的结构及应变特性37-40
• 3.2.2 分段银电极压电振子的电路连接方式40-41
• 3.3 银电极分段方法的理论基础41-46
• 3.3.1 空间坐标下分段银电极的参数定义41-44
• 3.3.2 空间坐标下的状态空间模型的建立44-46
• 3.4 分段银电极模型输出电压的计算及分析46-49
• 3.5 本章小结49-50
• 第4章 基于分段方法的压电发电实验研究50-68
• 4.1 包含三段银电极的压电振子发电能力测试50-56
• 4.1.1 包含三段银电极的压电振子发电实验目的51
• 4.1.2 包含三段银电极的压电振子发电实验装置51-52
• 4.1.3 包含三段银电极的压电振子发电实验过程52-55
• 4.1.4 包含三个银电极的压电振子发电实验结论55-56
• 4.2 按比例分为三段银电极的输出电压实验56-59
• 4.3 包含多段银电极的压电振子发电能力比较59-64
• 4.3.1 分为六段和十段的银电极输出电压比较59-62
• 4.3.2 分为十段和十五段的银电极输出电压比较62-64
• 4.4 分为更多段银电极的压电振子发电性能分析64-65
• 4.5 本章小结65-68
• 第5章 模拟实验与电量收集电路的设计68-80
• 5.1 实验室模拟实验68-73
• 5.1.1 实验装置介绍68-71
• 5.1.2 实验过程及结果71-73
• 5.2 电量收集电路的设计73-78
• 5.2.1 储能元件的选择73-76
• 5.2.2 整流电路的选择76-78
• 5.3 外接电阻对输出功率的影响78-79
• 5.4 本章小结79-80
• 第6章 结论与展望80-82
• 6.1 本文结论80-81
• 6.2 研究展望81-82
• 参考文献82-86
• 作者简介及科研成果86-88
• 致谢88-89

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本文编号：902319