基于谢尔宾斯基三角分形压电振子的性能研究

摘要

环境中的振动机械能无处不在，大到汽车发动机的振动、飞机飞行过程中引起的气流扰动，小到人体心脏的跳动等，都是典型的受环境影响较小的振动机械能。目前针对环境中振动机械能的采集和利用技术逐渐兴起，用振动换能器来替代或减少传统化学电池的使用极具实际意义。但是，传统的振动换能器都存在采集能量功率密度低、带宽窄的问题，并且两者无法兼顾。针对这一技术难题，本论文根据分形结构的思想，以多变的分形压电振子代替传统的单一形状压电振子，利用分形的多样性拓宽能量采集带宽。
　　本论文设计了基于谢尔宾斯基三角分形的宽带压电振子结构。该压电振子结构以分形结构为设计思想，以压电理论和悬臂梁理论为基础。通过对谢尔宾斯基(Sierpinski)三角分形进行悬臂梁化和有效填充，设计了在三个层次上具有自相似性的分形压电振子结构，保证了材料的利用率以及结构的多样性。所设计的结构在三个层次上具有自相似性，保证了该分形压电振子至少存在三个不同大小的谐振频率，有效地增大压电能量采集装置的带宽，可以更多的采集环境中不同频率的振动机械能。并且经填充后，每一层次的分形结构数目都有效增加，能够增加能量采集密度，提高输出电压。
　　本论文通过有限元计算方法对所设计的分形压电振子的频率特性和输出电压特性进行分析。对每个层次以及整体分形压电振子的谐振频率进行计算，同时通过扫频探究各层次压电振子应变和输出电压随频率的变化。通过仿真结果可知，该压电振子随着分形层次的增加，能够采集的振动频率范围变宽，同时能量采集密度增加，输出电压变大。
　　本论文选用聚偏二氟乙烯薄膜(PVDF)压电材料，根据所设计的分形压电振子结构实际制作了压电换能器样本。通过搭建实验平台进行扫频实验，得到的频率响应与预期一致。因此本论文设计的分形压电振子结构能够弥补目前振动换能器普遍存在的带宽窄和采集能量密度低的缺陷。

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第一章 绪论

1.1课题背景及研究意义

1.2振动能量采集原理及方式

1.3压电式能量采集技术进展

1.4本文研究内容

第二章 相关理论基础

2.1分形理论

2.2压电理论基础

2.3悬臂梁理论

2.4本章小结

第三章 基于谢尔宾斯基三角的分形压电振子设计与分析

3.1基于谢尔宾斯基三角的分形压电振子设计

3.2基于谢尔宾斯基三角的分形压电振子理论分析

3.3本章小结

第四章 压电振子的有限元分析

4.1基于COMSOL Multiphysics的有限元仿真介绍

4.2压电悬臂梁基本结构有限元分析

4.3整体分形振动换能器有限元仿真分析

4.4本章小结

第五章 分形压电振子实验分析

5.1分形压电薄膜的加工与封装

5.2分形压电振子实验装置

5.3分形压电器件频率分布

5.4本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间申请的专利

致谢