基于碰撞致上變頻原理的壓電能量收集技術(shù)研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著低能耗微電子設(shè)備和無(wú)線傳感器的迅速發(fā)展，無(wú)源供電技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的電池供電方式具有壽命有限、更換和維護(hù)成本高以及容易污染環(huán)境等缺點(diǎn)。因此，利用能量收集裝置從周圍環(huán)境中獲取能量（如動(dòng)能、熱能、光能、風(fēng)能等），并將其轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)和方法成為解決可替代能源問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)之一。其中，基于壓電振動(dòng)的微能量收集方式由于能量密度高、無(wú)需單獨(dú)電源、實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單而得到廣泛地應(yīng)用，成為了一種可以給微電子設(shè)備持久供電的有效解決方案。雖然傳

2、統(tǒng)的壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)能量收集裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、平均應(yīng)變大，但是在非諧振狀態(tài)下能量收集效果急劇下降。本文以碰撞作用下的壓電懸臂梁為研究對(duì)象，以人體運(yùn)動(dòng)為動(dòng)力源，從理論建模、有限元仿真和實(shí)驗(yàn)三個(gè)層次對(duì)碰撞驅(qū)動(dòng)作用下壓電能量收集方法進(jìn)行全面的研究。
　　本文結(jié)合壓電碰撞振動(dòng)能量收集方法的研究現(xiàn)狀及其存在的問(wèn)題，提出了一種并行驅(qū)動(dòng)壓電碰撞能量收集器的設(shè)計(jì)方案，該方法可將低頻的人體步行運(yùn)動(dòng)通過(guò)質(zhì)量碰撞驅(qū)動(dòng)壓電梁的高頻諧振，利用上變頻原理在低頻環(huán)境

3、下提高壓電梁的能量收集效率。然后描述其設(shè)計(jì)原理及科學(xué)性，并詳述其創(chuàng)新性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理，分析碰撞力大小、碰撞接觸面設(shè)計(jì)和碰撞時(shí)間間隔等關(guān)鍵技術(shù)因素對(duì)壓電梁能量轉(zhuǎn)換性能的影響，得到能量收集裝置的最佳設(shè)計(jì)方案，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了提升功率密度的設(shè)計(jì)和方法。
　　論文建立了壓電梁振動(dòng)條件下的耦合場(chǎng)數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)有限元方法驗(yàn)證其正確性，研究了外部激勵(lì)條件、機(jī)械阻尼比和外接負(fù)載對(duì)壓電梁輸出電壓和頻率的影響，并在此基礎(chǔ)上分析了壓電耦合

4、系數(shù)和機(jī)械阻尼比對(duì)外接優(yōu)化電阻的影響；建立碰撞作用下壓電梁的數(shù)學(xué)計(jì)算模型并進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了碰撞力大小對(duì)能量轉(zhuǎn)換性能的影響，研究了碰撞作用下壓電梁的最大輸出功率及外接優(yōu)化電阻，并與激振作用下的效果相比較；在上述模型分析的基礎(chǔ)上，并在非諧振和開(kāi)路電壓相等條件下，比較振動(dòng)和碰撞作用下壓電梁的輸出特性，揭示了碰撞致上變頻特性對(duì)提高輸出功率的影響規(guī)律。
　　論文完成了實(shí)驗(yàn)原型的設(shè)計(jì)、加工制造和組裝，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并測(cè)試了實(shí)驗(yàn)原型裝置的性

5、能：首先測(cè)試和驗(yàn)證了壓電梁在振動(dòng)條件下的能量轉(zhuǎn)換特性，然后以人體運(yùn)動(dòng)為動(dòng)力源，并在不同步行速度和外接電阻的條件下研究碰撞作用下壓電梁的功率輸出特性，并與理論分析做比較；接著以碰撞接觸面為研究對(duì)象，建立力學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，研究了非對(duì)稱圓弧面的設(shè)計(jì)對(duì)能量收集裝置能量轉(zhuǎn)化的影響關(guān)系，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證理論分析的結(jié)論。
　　論文研究了碰撞時(shí)間間隔與振動(dòng)周期之比對(duì)能量收集效果的影響，結(jié)合能量收集裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和碰撞振動(dòng)原理，分析

6、了圓柱滑塊和壓電懸臂梁在碰撞作用前后的運(yùn)動(dòng)特性，得出了重疊距離的極值表達(dá)式和最優(yōu)碰撞時(shí)間間隔的理論值，并進(jìn)行數(shù)值模擬分析和比較，從理論上評(píng)估和分析了碰撞時(shí)間間隔對(duì)能量轉(zhuǎn)換的影響規(guī)律；設(shè)計(jì)并制作了具有不同碰撞時(shí)間間隔作用性能的實(shí)驗(yàn)裝置，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試和驗(yàn)證。
　　在上述實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，論文最后對(duì)碰撞壓電能量收集裝置在提升功率密度方面進(jìn)行了探討，根據(jù)壓電碰撞能量收集裝置的工作原理和性能，結(jié)合前面的力學(xué)和運(yùn)動(dòng)分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置提出改進(jìn)方

7、案，評(píng)估和預(yù)測(cè)功率密度可提升的理論值。另外，針對(duì)壓電梁輸出的交流電特性，設(shè)計(jì)了一種采用電容作為儲(chǔ)能介質(zhì)的能量?jī)?chǔ)存電路，將壓電裝置收集的電能以穩(wěn)定的直流電輸出。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試和比較改進(jìn)前后壓電能量收集裝置的功率密度，并對(duì)實(shí)驗(yàn)與理論值的誤差進(jìn)行了分析和討論。
　　本文所提出新型壓電碰撞能量收集技術(shù)及方法，可將人體步行所產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存為穩(wěn)定的直流電，能夠?yàn)楸銛y式微傳感器以及生物傳感器供電，實(shí)現(xiàn)真正意義上的無(wú)源傳感設(shè)備。本文的研究成果