基于壓電效應(yīng)的能量收集裝置實驗及原理研究.pdf

1、在過去二十年里，隨著無線傳感技術(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)境中收集能量給無線傳感節(jié)點或低功耗電子設(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能量回收技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、能量密度高、易于集成等優(yōu)點，已得到廣泛的研究和應(yīng)用。本文主要針對提高壓電能量回收裝置在低頻振動能量回收和寬帶頻率響應(yīng)特性兩個方面的性能，設(shè)計并驗證了多種針對具體應(yīng)用的新型壓電能量回收裝置。并對壓電發(fā)電機進行了理論分析、有限元仿

2、真、實驗測試以及性能優(yōu)化等研究。
　　本文的具體研究內(nèi)容包括：
　　1．針對次聲頻率(<20 Hz)振動環(huán)境，設(shè)計了一個可以收集次聲頻率振動能量的單擺壓電發(fā)電機，該發(fā)電機利用一個簡單物理單擺結(jié)構(gòu)來吸收次聲振動能量，然后再利用單擺沖擊兩個壓電懸臂梁發(fā)電。結(jié)合壓電本構(gòu)方程和結(jié)構(gòu)振動的基本理論，簡要分析了壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)參數(shù)對發(fā)電機性能的影響。建立了一個包括沖擊、振動、壓電和電路多物理場耦合的有限元模型，利用該模型對發(fā)電機進行了仿真

3、研究。最后，對該單擺壓電發(fā)電機樣機地發(fā)電性能進行了實驗測試。
　　2．基于聲學人工超材料原理，設(shè)計寬帶發(fā)電機收集固體中彈性波能量。提出橢圓型和圓型兩種聲學圍欄結(jié)構(gòu)，并基于兩種聲學圍欄結(jié)構(gòu)設(shè)計寬帶壓電發(fā)電機來收集薄板內(nèi)傳播的蘭姆波能量。利用彈性動力學理論，對存在聲學圍欄時，薄板內(nèi)蘭姆波的傳播進行了簡要分析，并利用有限元法和實驗對該類型發(fā)電機進行了測試和研究。其次，提出基于薄板聲子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計的蘭姆波壓電發(fā)電機。利用固體能帶理論，分析

4、了結(jié)構(gòu)參數(shù)對該聲子晶體帶隙的影響，并對發(fā)電機的輸出性能進行了樣機測試。
　　3．基于聲學人工超材料原理，設(shè)計寬帶發(fā)電機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)計的寬帶聲能發(fā)電機。利用平面波展開法，對反射聲柵的聲學特性進行了理論分析和數(shù)值計算，研究了反射聲柵中產(chǎn)生亞波長類法布里-帕羅諧振效應(yīng)的物理機制及結(jié)構(gòu)參數(shù)對諧振頻率的影響。并基于反射聲柵結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種可以工作在亞波長尺度范圍內(nèi)的聲能發(fā)電機，對該發(fā)電機進行了實