复合式蛛网状薄板振动能量采集器研究

发布时间：2021-11-17 23:53

　　随着无线传感网络节点的发展,近几年来由微传感器件组成的医学植入系统、埋植检测系统等技术越发成熟,其功耗随着微器件的功耗降低而接近毫瓦甚至微瓦级。传统电池技术由于自身储能密度有限、需要人力定期更换等缺点,无法满足该类器件及系统的供能需求。因此,提出了从环境中采集能量从而持久供能的自供能能量采集技术。常见的环境能包括热能、风能、太阳能、振动能等。其中,振动能以其无处不在的特质而具有巨大的开发潜力。振动能量采集器多采用悬臂梁结构,对薄板结构的振动能量采集器少有研究。相比于悬臂梁结构,周边固支的薄板结构具有稳定不易损坏的优点,更适用于为广泛埋植于各种复杂恶劣环境的无线监测系统供能。本文围绕基于圆形薄板结构的复合机制振动能量采集器展开研究工作。在对国内外研究深入探讨分析的基础上,提出了一种新型蛛网状薄板结构的压电/电磁复合式振动能量采集器。为提高低频环境下能量采集器的输出功率,提出了圆薄板结构压电/电磁复合机制以实现弱耦合下高效采集振动能量的设计方案。研究了影响两种机制输出功率的关键因素,结合圆薄板的弹塑性力学、振动力学模型及机电等效电路,建立单一机制及复合机制下振动能量采集器的Simulink... 

【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：102 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
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第1章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 能量采集器研究现状
        1.2.1 压电能量采集技术
        1.2.2 电磁能量采集技术
        1.2.3 静电能量采集技术
        1.2.4 复合式能量采集技术
    1.3 论文研究内容
第2章 振动能量采集器基础设计理论研究
    2.1 振动能量采集器的力学模型
        2.1.1 集中参数模型
        2.1.2 阻尼比的测量方法
    2.2 压电换能机制
        2.2.1 压电效应原理
        2.2.2 压电材料的选取
    2.3 电磁换能机制
    2.4 静电换能机制
    2.5 复合式振动能量采集器的设计方案
    2.6 本章小结
第3章 压电电磁复合能量采集器理论建模及耦合强度分析
    3.1 复合式振动能量采集器建模思路
    3.2 复合式振动能量采集器的理论模型建立
        3.2.1 压电机制振动能量采集器模型
        3.2.2 电磁机制振动能量采集器模型
        3.2.3 复合机制振动能量采集器模型
    3.3 耦合强度对复合机制的电输出影响
    3.4 本章小结
第4章 蛛网状薄板振动能量采集器的结构设计与优化
    4.1 蛛网状支撑层结构的提出
    4.2 微观尺度下的蛛网状薄板的性能探究
        4.2.1 去除区域百分比对结构性能的影响
        4.2.2 去除角度对固有频率的影响
    4.3 宏观尺度下蛛网结构的优化与分析
    4.4 磁铁形状对压电层输出电压的影响
    4.5 磁铁与线圈相对位置对感应电压的影响
    4.6 本章小结
第5章 振动能量采集器的性能及实验研究
    5.1 测试系统搭建
    5.2 压电机制能量采集器的性能实验
        5.2.1 蛛网结构薄板对压电能量采集器性能的影响
        5.2.2 带有质量块的蛛网结构薄板对采集器性能的影响
    5.3 复合机制能量采集器的性能试验
        5.3.1 压电/电磁机制的输出电压比较
        5.3.2 蛛网结构对电磁性能的提升
        5.3.3 增大磁铁对电磁及压电机制输出性能的影响
        5.3.4 对于非线性跳跃现象增大输出性能的讨论
    5.4 压电机制的阻抗分析
    5.5 能量收集电路及性能评估
    5.6 本章小结
第6章 结论与展望
    6.1 主要研究内容及结论
    6.2 未来工作展望
参考文献
作者简介及硕士期间攻读成果
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]压电振动能量收集电路的设计与实验研究[J]. 魏胜.  压电与声光. 2017(01)
[2]压电振动能量采集器的标准能量采集电路及充放电电路的性能研究[J]. 廖巍,周志垚,沈浩,谢航,王佩红.  电子技术. 2016(10)
[3]当前清洁能源的发展概况[J]. 李宇灏.  地球. 2015(09)
[4]微型振动式能量采集器研究进展[J]. 许卓,杨杰,燕乐,曹嘉峰,陈晓勇,丑修建.  传感器与微系统. 2015(02)
[5]Energy harvester array using piezoelectric circular diaphragm for rail vibration[J]. Wei Wang,Rong-Jin Huang,Chuan-Jun Huang,Lai-Feng Li.  Acta Mechanica Sinica. 2014(06)
[6]蒲公英状压电振动能量收集装置宽频带设计[J]. 刘祥建,陈仁文,侯志伟.  光学精密工程. 2014(07)
[7]蜘蛛丝Ⅰ:超级力学性能[J]. 蒋持平.  力学与实践. 2014(01)
[8]振动能量收集技术的研究现状与发展趋势[J]. 刘成龙,孟爱华,陈文艺,李厚福,宋红晓.  装备制造技术. 2013(12)
[9]微型振动能量收集器的研究现状及发展趋势[J]. 陈文艺,孟爱华,刘成龙.  微纳电子技术. 2013(11)
[10]功率型压电陶瓷的分类及研究进展[J]. 廖擎玮,陈小随,郭栋.  应用声学. 2013(06)

博士论文
[1]基于压电厚膜的MEMS振动能量采集器研究[D]. 唐刚.上海交通大学 2013

硕士论文
[1]基于双极性驻极体的微振动能量采集器研究[D]. 李岳峰.杭州电子科技大学 2017
[2]低频响应压电—电磁复合式能量采集器设计制造研究[D]. 陈东红.中北大学 2016
[3]压电式多方向风致振动能量采集器研究[D]. 赵江信.重庆大学 2016
[4]基于MEMS技术的非线性静电式能量采集器的研究[D]. 傅利峰.浙江大学 2016



本文编号：3501835