基于低频环境振动驱动的微型压电式能量收集器的结构研究

摘要

随着无线传感器网络的发展，其能源的持续供应成为亟需解决的问题。考虑到振动能在人们生产生活中广泛存在，例如机器运行、车辆行驶、地震甚至微弱的声音波动都可以提供振动能，因此科研人员已经研发了一些通过拾取振动能转换为电能为大量微型电子设备提供电能的能量收集器件。其中由压电材料制作的微型压电能量收集器因其无需外界电源、较高的机电耦合性能和功率密度大等特性而得到广泛应用。另一方面，利用压电材料发电提供能源还可缓解大量废旧电池所造成的环境污染。 应用于无线传感器网络供电的压电式能量收集器，要求结构尺寸较小，往往采用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)工艺制作成微型压电式能量收集器。传统的微型直压电悬臂梁能量收集器，其固有振动频率通常达到上千赫兹，难以与环境中的低频振动源形成共振，导致输出功率一般只有微瓦量级，无法保证无线传感器网络节点正常工作所需的功率。鉴于此，本文进行了微型压电式能量收集器的结构设计和优化，以降低其固有频率并提高输出电压和功率。 本文从理论分析和有限元仿真两个角度之字形压电悬臂梁的发电能力进行了研究，具体内容包括:(1)建立了之字形压电悬臂能量收集器的振动数学模型，从固有频率、输出电压幅值和功率两大方面对比几何参数对之字形悬臂梁发电性能研究;(2)采用有限元软件ANSYS建立之字形压电悬臂梁的有限元模型，并对其进行静力分析、模态分析和谐响应分析，获得之字形压电悬臂梁的固有频率、电压等随结构、尺寸的变化规律，为压电能量收集器的优化设计奠定基础。仿真结果表明，梁的厚度增加，其固有频率升高;质量块的长和厚的增加，组成之字形梁的单根梁长度和宽度的增加以及组成之字形结构的梁根数增加都会导致固有频率的降低。由10根直臂梁构成的之字形结构的一阶固有振动频率仅为142Hz，满足与低频环境振动的条件。通过谐响应分析，比较获得了输出电压及功率与结构尺寸、组成梁的数目、负载电阻值的关系。当由十根梁组成之字形梁时，其产生的电压可以达到10-20V范围;最佳负载电阻为200 KΩ，此时输出功率能达到1.66mW，经整流与存储有望为间断性工作的微型传感器节点提供电能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文的主要内容

第2章 悬臂直梁压电结构理论分析

2．1 压电效应与压电材料

2．1．1 压电效应

2．1．2 压电材料概述

2．1．3 压电陶瓷的主要性能参数

2．2 压电方程

2．3 压电陶瓷机电转换模式

2．4 压电悬臂直梁的理论分析

2．4．1 单层压电悬臂直梁的受力分析模型

2．4．2 复合压电悬臂梁的等效参数

2．4．3 复合压电悬臂梁的弯曲振动分析

2．4．4 复合压电悬臂梁的扭转振动分析

2．5 本章小结

第3章 之字形压电能量收集器的结构设计和理论分析

3．1 之字形压电能量收集器的结构设计

3．2 之字形梁的边界、平衡和连续条件

3．2．1 之字形梁固定端的边界条件

3．2．2 之字形梁自由端的边界条件

3．2．3 梁与梁之间交界面处的平衡条件和连续条件

3．3 之字形梁的固有频率

3．4 之字形梁的输出电压和功率

3．5 本章小结

第4章 基于ANSYS的之字形结构压电能量收集器的仿真分析

4．1 ANSYS有限元分析软件简介

4．1．1 ANSYS的功能模块与单元

4．1．2 ANSYS的耦合方法

4．2 之字形压电悬臂梁仿真模型

4．3 之字形压电悬臂梁的强度分析

4．4 之字形压电悬臂梁的模态分析

4．4．1 之字形梁的模态阵型

4．4．2 之字形梁的尺寸对固有频率的影响

4．4．3 梁的数目对固有频率的影响

4．5 之字形压电悬臂梁的谐响应分析

4．5．1 梁的数目对输出电压的影响

4．5．2 梁的尺寸对输出电压的影响

4．5．3 外界激励对电压的影响

4．5．4 负载对电压和功率的影响

4．6 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果