压电式低频环境振动能量采集装置的研究

摘要

随着人们对环境问题的关注以及对新能源的渴望，新型环保的能量采集技术成为国内外研究学者探究的热点;同时随着对半导体元件的集成化与MEMS技术研究的不断深入，将振动机械能通过采集技术转化为电能并为微机电系统供电成为可能。但是由于自然环境与人类生活中的振动能量具有频率低，频带宽的特点，传统的振动能量采集技术在此环境中俘能效率低下。针对此问题，本文基于压电效应，提出一种冲击式振动发电装置，通过理论公式推导及MATLAB仿真分析，从力的角度以提高装置的发电性能;同时鉴于变刚度结构可以增大压电振子在微弱信号下的响应振幅，提出一种变刚度升频振动发电系统，以拓宽能量采集频率并提高能量采集效率。论文的主要研究内容及结论如下:
　　1)根据机械振动理论与碰撞理论，设计一种低频压电冲击式振动发电装置，建立首次碰撞计算模型。基于此，理论推导了拾振机构的输出电压与功率解析表达式，并利用MATLAB进行拾振机构的结构优化，得到相应的结构参数。根据优化的结构参数，利用AMESim仿真平台建立此发电装置的仿真模型，并以激振频率、振子质量、压电片片数为影响因素对发电装置进行性能分析。
　　2)设计变刚度升频压电式振动发电装置，并基于此建立机构的运动微分方程，采用AMESim仿真平台对所建立的机构模型进行仿真模拟。确定变刚度弹簧刚度曲线及相应仿真参数，对采用不同刚度曲线下变刚度弹簧的发电装置进行分析。对线性系统、定刚度升频系统、变刚度升频系统的发电功率进行比较分析，证明了变刚度升频系统与其它两种传统发电装置相比，在低频振动环境中更具优势，既能拓宽响应频带，又能提高发电功率。
　　本文为了提高低频振动能量俘获能力，从力的角度设计了一种低频压电冲击式振动发电装置，此发电装置在结构最优的情况下，峰值发电功率可达4.4μW，10s内可俘获68.25mJ电能;同时鉴于一种升频压电装置，提出了变刚度升频系统，相对于定刚度升频系统，变刚度升频振动发电机响应频带拓宽15％，发电功率峰值可达7mW。

目录

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摘要

图表目录

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 振动发电技术研究现状

1．2．1 依据能量采集原理

1．2．2 低频环境振动能量采集技术

1．3 课题研究意义方法和内容

第二章 低频压电冲击式振动发电机的设计

2．1 外界低频环境振动的来源

2．2 拾振机构的设计

2．2．1 压电材料的选择

2．2．2 压电振子连接方式的选择

2．2．3 总体结构的设计

2．3 冲击式振动发电机的理论计算

2．3．1 冲击力的计算

2．3．2 输出功率计算

2．4 拾振机构的参数设计

2．5 本章小结

第三章 低频压电冲击式振动发电机发电性能的仿真分析

3．1 首次碰撞时发电装置的发电性能仿真分析

3．1．1 电压与压电片厚度的关系

3．1．2 电压与负载电阻的关系

3．1．3 功率与压电片厚度的关系

3．1．4 功率与负载电阻的关系

3．2 发电装置整体发电性能仿真分析

3．2．1 仿真模型建立

3．2．2 仿真参数设置

3．2．3 仿真分析

3．3 本章小结

第四章 升频压电式振动发电机的改进

4．1 基本振动模型分析

4．2 变刚度升频压电式振动发电机的设计

4．2．1 整体模型的建立

4．2．2 变刚度弹簧的设计

4．3 运动方程的建立

4．3．1 第一个运动过程

4．3．2 第二个运动过程

4．4 本章小结

第五章 变刚度升频压电式振动发电机的仿真分析

5．1 仿真模型的建立

5．2 AMESim仿真分析

5．2．1 定刚度升频系统的仿真分析

5．2．2 变刚度升频系统仿真分析

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文