基于壓電效應(yīng)的能量收集裝置實(shí)驗(yàn)及原理研究.pdf

1、在過(guò)去二十年里，隨著無(wú)線傳感技術(shù)和低功耗電子設(shè)備的發(fā)展，利用能量收集裝置從環(huán)境中收集能量給無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)或低功耗電子設(shè)備供電已經(jīng)成為可能。目前，在已有的幾類能量回收技術(shù)中，基于壓電材料的振動(dòng)能量回收技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量密度高、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，已得到廣泛的研究和應(yīng)用。本文主要針對(duì)提高壓電能量回收裝置在低頻振動(dòng)能量回收和寬帶頻率響應(yīng)特性兩個(gè)方面的性能，設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了多種針對(duì)具體應(yīng)用的新型壓電能量回收裝置。并對(duì)壓電發(fā)電機(jī)進(jìn)行了理論分析、有限元仿

2、真、實(shí)驗(yàn)測(cè)試以及性能優(yōu)化等研究。
　　本文的具體研究?jī)?nèi)容包括：
　　1．針對(duì)次聲頻率(<20 Hz)振動(dòng)環(huán)境，設(shè)計(jì)了一個(gè)可以收集次聲頻率振動(dòng)能量的單擺壓電發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)利用一個(gè)簡(jiǎn)單物理單擺結(jié)構(gòu)來(lái)吸收次聲振動(dòng)能量，然后再利用單擺沖擊兩個(gè)壓電懸臂梁發(fā)電。結(jié)合壓電本構(gòu)方程和結(jié)構(gòu)振動(dòng)的基本理論，簡(jiǎn)要分析了壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)發(fā)電機(jī)性能的影響。建立了一個(gè)包括沖擊、振動(dòng)、壓電和電路多物理場(chǎng)耦合的有限元模型，利用該模型對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行了仿真

3、研究。最后，對(duì)該單擺壓電發(fā)電機(jī)樣機(jī)地發(fā)電性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。
　　2．基于聲學(xué)人工超材料原理，設(shè)計(jì)寬帶發(fā)電機(jī)收集固體中彈性波能量。提出橢圓型和圓型兩種聲學(xué)圍欄結(jié)構(gòu)，并基于兩種聲學(xué)圍欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)寬帶壓電發(fā)電機(jī)來(lái)收集薄板內(nèi)傳播的蘭姆波能量。利用彈性動(dòng)力學(xué)理論，對(duì)存在聲學(xué)圍欄時(shí)，薄板內(nèi)蘭姆波的傳播進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，并利用有限元法和實(shí)驗(yàn)對(duì)該類型發(fā)電機(jī)進(jìn)行了測(cè)試和研究。其次，提出基于薄板聲子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的蘭姆波壓電發(fā)電機(jī)。利用固體能帶理論，分析

4、了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)該聲子晶體帶隙的影響，并對(duì)發(fā)電機(jī)的輸出性能進(jìn)行了樣機(jī)測(cè)試。
　　3．基于聲學(xué)人工超材料原理，設(shè)計(jì)寬帶發(fā)電機(jī)收集空氣中聲波的能量。提出了一種基于反射聲柵結(jié)構(gòu)和壓電材料設(shè)計(jì)的寬帶聲能發(fā)電機(jī)。利用平面波展開(kāi)法，對(duì)反射聲柵的聲學(xué)特性進(jìn)行了理論分析和數(shù)值計(jì)算，研究了反射聲柵中產(chǎn)生亞波長(zhǎng)類法布里-帕羅諧振效應(yīng)的物理機(jī)制及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)諧振頻率的影響。并基于反射聲柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種可以工作在亞波長(zhǎng)尺度范圍內(nèi)的聲能發(fā)電機(jī)，對(duì)該發(fā)電機(jī)進(jìn)行了實(shí)