新型壓電器件的機電耦合特性分析與實驗研究.pdf

1、新型壓電器件的機電耦合特性分析與實驗研究摘要隨著電子科學(xué)和材料科學(xué)技術(shù)的進步，以壓電材料為能量轉(zhuǎn)換核心的壓電器件不斷向集成化、微型化、智能化、輕質(zhì)化和低功耗的方向快速發(fā)展，并出現(xiàn)了一些列新型壓電器件，如壓電能量采集器、壓電超聲波驅(qū)動器、壓電振動傳感器等。這些新型壓電器件廣泛應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)、便攜式電子設(shè)備和精密驅(qū)動與控制系統(tǒng)中。目前，在無線傳感網(wǎng)和便攜式智能設(shè)備等低功率微型電子產(chǎn)品中，傳統(tǒng)的電化學(xué)電池日益突顯出壽命短、污染環(huán)境和頻繁定

2、期更換電池等缺點，因此，研究可持續(xù)且無污染的新型能源代替電化學(xué)電池為微型電子產(chǎn)品供電已成為當(dāng)前迫切需要解決的瓶頸問題?；谡龎弘娦?yīng)的新型壓電器件——壓電能量采集器是解決該問題的有效方法之一，它因具有無電磁干擾、環(huán)保、高能量密度和體積小等優(yōu)點吸引了廣大學(xué)者的研究興趣，并圍繞結(jié)構(gòu)設(shè)計、振動模式和能量采集電路等方面展開研究，但從未涉及到能量采集電路與壓電晶體之間的阻抗匹配問題，從而損耗掉大量的能量，致使能量轉(zhuǎn)換率較低。此外，基于逆壓電效應(yīng)實

3、現(xiàn)驅(qū)動功能的壓電器件——壓電超聲波電機由于具有精密定位和良好的控制性能，在很多領(lǐng)域已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的電磁型電機。但這種新型壓器件的輸出功率比較低，一般不超過50％，大部分qllllllllllllllllllllllLIIIIIllqlllllllllllllllIY2751145電陶瓷、壓電效應(yīng)、壓電方程和振動理論等。結(jié)合基礎(chǔ)理論知識，給出了懸臂梁壓電振動能量采集器模型和環(huán)形夾心壓電振子模型，基于EulerBernoulli梁理論建立了

4、相應(yīng)的彎曲自由振動微分方程，得到了相應(yīng)的振型函數(shù)、頻率方程及振動模態(tài)。第三章研究了單頻懸臂梁壓電振動能量采集器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作原理，詳細介紹了基于ADPL的機電耦合模型建模步驟，仿真分析了能量采集器負載電阻等對振動特性與電輸出特性的影響規(guī)律，并對能量采集器的輸出功率進行了優(yōu)化分析與設(shè)計，得到了系統(tǒng)最優(yōu)匹配電阻。最后，研究分析了壓電陶瓷電極連接(串聯(lián)或并聯(lián))形式對懸臂梁能量采集器輸出性能的影響。第四章重點研究了寬頻振動能量采集器的設(shè)計和力

5、電輸出特性。提出了一種帶有彈簧放大器的寬頻壓電振動能量采集器，綜合考慮懸臂梁與電路、懸臂梁與彈簧系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系，利用ADPL命令流建立了寬頻壓電能量采集器的機電耦合模型，仿真分析了系統(tǒng)質(zhì)量比、剛度比、阻尼比和負載電阻對能量采集器力電輸出特性的影響，并對能量采集器的功率優(yōu)化和阻抗匹配問題進行了詳細分析與研究。第五章研究了一種基于逆壓電效應(yīng)的新型壓電器件——能量回饋型超聲波電機，該電機集精密驅(qū)動與能量采集功能于一體。詳細介紹了能量回饋型