圆盘型压电振动能量收集器的设计和仿真

摘要

随着微机电系统技术和集成电路技术日趋发展，小尺寸、低功耗的微传感器和微执行器的研发取得了巨大的进步，在人体健康检测系统[1]、结构安全检测系统[2]、嵌入式系统等等方面都取得了广泛的应用。但是这些系统设备通常需要微型电池作为供电材料，虽然这些电池能起到很好的供能作用，但是也存在着明显的缺陷，比如电池寿命有限需要不断更换、尺寸较大、受环境影响、化学毒性比较严重。这些都制约着微型器件的发展，国内外研究者提出从环境周围中收集能量，并将其转换成电能供给设备使用。但是目前在研究中存在许多问题，比如由于能量收集装置的尺寸导致输出功率太小，并且大多数装置只有一个共振频率，频率范围太小，导致可以应用的场合单一和能量收集的效率低下。
　　本论文针对目前能量收集装置存在的输出功率过低，工作频率范围太窄等问题，提出了一种圆盘形压电式能量采集结构。本文首先对压电能量收集器的工作原理做了详细的分析，包括材料的选择、材料将振动能转化为电能的过程、压电悬臂梁模型的分析、压电悬臂梁机电耦合理论分析，为器件的设计提供了理论依据。然后利用ANSYS有限元模型对器件的性能进行仿真分析，研究器件各类参数对性能的影响。最后通过研究的器件各类参数对性能的影响，优化器件结构设计，并设计了一种新的结构，用来提高器件的输出特性，并拓宽器件工作频率范围。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 能量收集技术简介

1.3各类能量收集技术对比分析

1.4本文的研究目的及内容

第二章 压电能量收集器的工作原理

2.1压电材料

2.2弹簧-质量块模型[50]

2.3 悬臂梁振动分析[51]

2.4耦合参数分布模型

2.5本章小结

第三章 能量收集装置参数对输出特性的影响

3.1能量收集器的结构设计

3.2 ANSYS有限元仿真

3.3各种参数对输出性能的影响

3.4双层压电材料对悬臂梁的输出特性

3.5 悬臂梁形状对输出特性的影响

3.6负载情况下悬臂梁的输出特性

3.7本章小结

第四章 宽频压电振动能量收集器的设计与仿真

4.1技术指标

4.2 单悬臂梁参数优化

4.3宽频压电能量收集器结构设计

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1工作总结

5.2工作展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢