基于并联机构的任意方向非线性宽频带压电振动能量收集方法及系统研究

摘要

近二十年来，随着微电子技术和无线传感网络技术的快速持续发展，电子电路的功率能够降至微瓦级，使得从环境能量振动中收集能量并转换成电能进行供电成为可能。振动能量收集成为无线传感网络和微机电系统等领域研究的热点问题。现有的振动能量收集器只能实现沿单个敏感轴向、较窄频带内的振动能量收集，导致其能量收集效率低，难以满足实际使用的需要。　　本文基于并联机构提出并研究了一种任意方向非线性宽频带压电振动能量收集方法及其系统，利用磁铁引入非线性磁力实现宽频带的振动能量收集，利用三自由度并联机构实现任意方向的振动能量收集。具体开展了以下几方面工作：　　①为了实现宽频带的振动能量收集，通过磁铁间的相互作用力改变振动能量收集器的机械谐振特性，使其能够在较宽的频带范围内实现相对较大的振幅和能量输出。根据上述原理，研究了单自由度非线性压电振动能量收集器的原理结构；建立其数学模型。根据建立的数学模型，仿真分析了单自由度非线性压电振动能量收集器在不同初始间隙、不同幅值激励、不同负载条件下的幅频响应特性；开发设计了一种单自由度非线性压电振动能量收集器，并对其进行了实验测试。结果表明，设计的单自由度非线性压电振动能量收集器具有宽频带特性。　　②为了实现任意方向宽频带的振动能量收集，将单自由度非线性压电振动能量收集器与Delta并联机构的结构形式相融合，构成一种任意方向非线性宽频带压电振动能量收集器。研究了任意方向非线性宽频带压电振动能量收集器的原理与结构；利用运动学方程、动能函数、势能函数、压电余能函数、耗散函数以及拉格朗日方程推导出任意方向非线性宽频带压电振动能量收集器的状态矩阵方程，并通过状态矩阵方程建立其数学模型。根据建立的模型，仿真分析了任意方向非线性宽频带压电振动能量收集器的工作模态及其在不同初始间隙、不同激励幅值条件下的幅频响应特性，以及不同初始间隙下惯性质量的运动轨迹。　　③根据建立的任意方向非线性宽频带压电振动能量收集器的数学模型，仿真分析了不同结构参数下的任意方向非线性宽频带压电振动能量收集器的幅频响应特性。在此基础上，开发了一种任意方向非线性宽频带压电振动能量收集器原型。此外，还设计了三通道能量收集电路，并对该电路进行了仿真实验分析。　　④为了验证提出的任意方向非线性宽频带压电振动能量收集器的有效性和正确性。建立了任意方向非线性宽频带压电振动能量收集器的实验装置。利用建立的实验装置，首先，测试了任意方向非线性宽频带压电振动能量收集器在xB、yB、zB等多个方向扫频激励下的幅频响应特性；其次，测试了任意方向非线性宽频带压电振动能量收集器在不同初始间隙下的幅频响应特性以及跳变特性；测试了任意方向非线性宽频带压电振动能量收集器在不同加速度扫频激励下的幅频响应特性；测试了任意方向非线性宽频带压电振动能量收集器在负载下的最优输出功率；最后，测试了不同加速度激励下任意方向非线性宽频带压电振动能量收集器在势阱间运动下的电压输出特性。　　实验结果表明，本文提出的任意方向非线性宽频带压电振动能量收集器能够实现任意方向宽频带振动能量收集。当非线性效应较弱时，在加速度为1.0g的扫频激励下的最大平均功率为22.3mW，这几乎是同样结构的线性系统的2.2倍，且大幅值周期振动的带宽可扩展到5.5Hz左右，中心频率在11Hz左右；当非线性效应较强时，任意方向非线性宽频带压电振动能量收集器在三维空间中将出现8个势阱，在适当的激励下，会产生混沌运动和大幅值的周期振动。因此，在大多数情况下，任意方向非线性宽频带压电振动能量收集器的非线性效应应该控制在适度范围。在一定范围内，随着非线性效应的增加，工作带宽增大、谐振频率减小。然而在任意方向非线性宽频带压电振动能量收集器具有强非线性效应时，可能导致其谐振频率的增加和低幅值激励下的能量收集效率降低。本文的研究推动了振动能量收集技术的发展，为任意方向非线性宽频带压电振动能量收集器的设计提供了依据和参考。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 压电振动能量收集的研究现状

1.2.1 能量收集带宽扩展

1.2.2 多方向的振动能量收集

1.3 压电振动能量收集电路的研究现状

1.4.1 研究目的

1.4.2 研究内容

1.5 本章小结

2 单自由度非线性压电振动能量收集器

2.1 单自由度非线性压电振动能量收集器的原理与结构

2.2 压电材料的本构方程

2.3 单自由度非线性压电振动能量收集器的数学模型

2.4 单自由度非线性压电振动能量收集器的特性分析

2.4.1 非线性的影响

2.4.2 激励幅值的影响

2.4.3 负载的影响

2.5 实验验证

2.6 本章小结

3 任意方向非线性宽频带压电振动能量收集器原理及特性

3.1 任意方向非线性宽频带压电振动能量收集器原理与结构

3.2.1 运动学方程

3.2.2 运动方程和压电耦合方程

3.2.3 状态矩阵方程

3.3.1 特性参数

3.3.2 模态分析

3.3.3 势能和应变能

3.3.4 振动响应

3.4 本章小结

4 任意方向非线性宽频带压电振动能量收集器系统设计

4.1 总体设计

4.1.1 结构参数分析

4.2 机械结构设计

4.3 能量收集电路设计

4.3.1 电路原理

4.3.2 特性仿真

4.3.3 能量收集电路

4.4 本章小结

5 任意方向非线性宽频带压电振动能量收集器实验验证

5.1 实验系统原理与装置

5.2 实验结果与分析

5.2.1 不同方向扫频激励下输出电压特性实验验证

5.2.2 强弱非线性宽频带能量收集对比实验验证

5.2.3 不同加速度扫频激励下输出电压特性实验验证

5.2.4 最优功率实验

5.2.5 混沌现象

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文研究工作总结和主要结论

6.2 主要贡献与创新点

6.3 下一步工作展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文：

B. 作者在攻读学位期间发表的专利：

C. 作者在攻读学位期间获得的荣誉：

D. 作者在攻读学位期间其他相关工作：

E. 学位论文数据集

致谢