压电式三维多模态振动能量采集器1

摘要

随着科技的飞速发展，人类的生产、生活已经逐渐步入了物联网时代。物联网时代是物与物相联的时代，其中无线传感网络是物联网中举足轻重的一部分。无线传感网络包括最核心的骨架—无线网络以及最广泛的触角—无线传感节点两部分。无线传感节点通过各个无线传感器传感有用信息，再通过无线网络实现有用信息的互传和共享。而采用传统电池供电的无线传感网络具有寿命短、维护费用高等特点，除此之外，传统的电池含有汞等重金属，若不及时地回收很容易造成环境污染。所以传统电池供电技术是限制无线传感网络发展的一个关键因素。与此同时，伴随着无线传感器件向低功耗方向发展，将自供电技术运用到无线传感网络，使无线传感器件自供能成为现实。
　　自供能技术是指将自然界中的光、声、热、振动等物理能量通过换能装置转换为可供低功耗电子设备使用的电能。而环境中的振动能量以其广泛遍布性和高能量密度性特点受到了研究人员的青睐。在研究者所研究的众多用于采集振动能量的采集器中，大部分只有在外界振动能的频率、方向满足与自身单一固有频率、方向一致的条件时才会输出较高的电能。自然界中的振动能量具有多方向和频率时变的特点，而传统的能量采集器无法采集其它频率和方向的振动能，这无疑造成了能量的损失。
　　针对以上问题，本文设计了三维多模态振动能量采集器。该采集器用螺旋式矩形截面悬臂梁取代了传统的矩形薄片悬臂梁，充分发挥了螺旋式悬臂梁可以在三维(3D)空间中沿着任意方向发生伸缩、扭转形变的结构特点，以及在低频范围内具有多个振动模态的运动特点。结合粘贴在螺旋式悬臂梁根部的压电换能器，该能量采集器最终实现了机械能-电能的转换，成功的采集了三维空间中的振动能量。文章推导了螺旋式矩形截面悬臂梁的运动微分方程组，从理论上推导出悬臂梁宽度、厚度以及直径尺寸是影响固有频率的主要因素；利用Solidworks绘制了能量采集器的3D模型，应用有限元分析软件COMSOL Multiphysics对采集器模型的运动特性进行了仿真，验证了螺旋式悬臂梁具有多模态和感受多方向振动激励的特点，得到了悬臂梁宽度越大、厚度越大，悬臂梁固有频率越大，固有频率之间的间距越大的结论；设计制作了三维多模态能量采集器，在加速度为0.5g，频率范围为0~50Hz的范围，以扫频的方式分别进行了悬臂梁宽度变化(变宽)的能量采集器和悬臂梁宽度恒定(等宽)的能量采集器对比试验、变宽式能量采集器的厚度和宽度不同尺寸对比试验、能量采集器多方向受力输出电压特性以及能量采集器的输出电压与负载阻抗和输出功率关系的实验。测试实验结果显示，在X-Y和X-Z平面内，当振动激励力方向分别呈0°，30°，60°，90°，120°和150°时，电压输出均呈现三个模态，且三个模态对应的频率点分别为16Hz，21Hz和28Hz。在X-Y平面内，各个角度对应的最大开路电压分别为37.8V，33.2V，32V，30V，21.6V和19.6V。在X-Z平面内，各个角度对应的最大开路电压分别为30.4V,33.2V,30V,6.8V,22V和27.2V。负载阻抗匹配实验显示，当振动激励力沿X-Y平面0°方向，三个模态在最佳匹配阻抗分别为1.8MΩ，950KΩ和1.2MΩ时对应的最大输出功率密度分别为30.07W/m3,28.5W/m3和0.59W/m3。此外，验证了三维多模态能量采集器的模型分别应用在人体行走和流体振动环境中时能成功的采集自然界中多方向，频率时变的振动能量。

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英文摘要

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1 绪 论

1.1课题研究的目的和意义

1.2 能量采集技术现状的研究

1.3 振动能量采集技术研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 压电能量采集的基础理论

2.1 引言

2.2 压电材料

2.3压电换能器

2.4小结

3 矩形截面螺旋式悬臂梁的三维多模态能量采集器设计

3.1 引言

3.2三维多模态能量采集器的设计

3.3 对基于螺旋式矩形截面悬臂梁的运动仿真分析

3.4 小结

4 三维多模态振动能量采集器实验测试与结果分析

4.1 引言

4.2 振动能量采集器的制作

4.3 实验测试系统

4.4 采集器实验和性能测试系统

4.5小结

5 三维多模态能量采集器的实际应用

5.1 引言

5.2 人体行走能量采集应用

5.3 流体能量采集应用

5.4 小结

6 总结与展望

6.1 全文工作总结

6.2研究展望

致谢

参考文献

附录

A 作者在攻读硕士学位期间发表论文

B 作者在攻读硕士学位期间参与申请专利