低頻寬帶振動(dòng)能量采集器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、環(huán)境振動(dòng)能作為一種常見(jiàn)的能量形式，廣泛存在于大型工礦設(shè)備，交通運(yùn)輸裝備，公路、橋梁等大型工程建筑，以及生物體活動(dòng)中。采集環(huán)境中的振動(dòng)能量，為微納監(jiān)測(cè)器件供電，對(duì)于解決高噪、高振動(dòng)，野外環(huán)境，生物微環(huán)境等特殊環(huán)境中電子監(jiān)測(cè)器件的能源穩(wěn)定供給問(wèn)題，具有重要的研究意義和實(shí)用價(jià)值；同時(shí)，環(huán)境能量采集系統(tǒng)的研究對(duì)于解決傳統(tǒng)能源供給方式（如化學(xué)電池）體積大、生命周期有限、污染環(huán)境等問(wèn)題也提供了新的研究思路。
　　環(huán)境中的振動(dòng)一般均表現(xiàn)為多個(gè)振

2、動(dòng)的相互作用，具有加速度幅值小，振動(dòng)頻率低（<200Hz），頻帶較寬等特點(diǎn)。而傳統(tǒng)的基于壓電效應(yīng)的振動(dòng)能量采集器由于固有頻率高，工作頻帶窄，已不能滿足當(dāng)前環(huán)境振動(dòng)能量采集的需求。針對(duì)上述問(wèn)題，本論文提出了一種基于線性多自由度理論的振動(dòng)能量采集裝置，實(shí)現(xiàn)了100 Hz以下范圍內(nèi)的多模態(tài)寬頻能量采集。具體研究?jī)?nèi)容如下：
　?。?）概括了當(dāng)前的特殊環(huán)境下微納傳感器件的自供電問(wèn)題，并對(duì)靜電式、壓電式以及電磁式三種傳統(tǒng)的振動(dòng)能量采集方式做了

3、介紹。其中，著重分析了壓電式振動(dòng)能量采集器的最新發(fā)展趨勢(shì)，以及典型研究工作中所涉及能量采集器件的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上對(duì)本論文所設(shè)計(jì)的低頻寬帶能量采集結(jié)構(gòu)提出要求。
　?。?）研究了壓電式能量采集的理論基礎(chǔ)，包括壓電效應(yīng)基本概念、壓電材料及其性能參數(shù)以及壓電方程等。并從理論上分析了傳統(tǒng)懸臂梁式振動(dòng)能量采集器的機(jī)電轉(zhuǎn)換特性、頻譜特性以及其性能缺陷。
　?。?）設(shè)計(jì)了一種線性多自由度能量采集裝置，建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論分析，并應(yīng)用CO

4、MSOL有限元軟件進(jìn)行了仿真計(jì)算。結(jié)果表明，隨著自由度的增加，共振頻率明顯降低；線性多自由度度能量采集器在0-200Hz范圍內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)共振模態(tài)，模態(tài)接近或相連，有效拓寬了工作頻帶。
　　（4）搭建了能量采集系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)。對(duì)加工制造的線性單自由度、二自由度以及三自由度能量采集裝置進(jìn)行了開(kāi)路電壓測(cè)試和功率測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，線性三自由度能量采集器的有效工作帶寬拓展到15Hz，為單自由度結(jié)構(gòu)的375％；同時(shí)其在一階固有頻率處的最大輸出功