壓電俘能-儲能系統(tǒng)的非線性動力學(xué)行為分析與優(yōu)化.pdf

1、無線供能是現(xiàn)代傳感技術(shù)向微型化和集成電路化發(fā)展所需突破的“瓶頸”問題之一。在已有的幾類無線供能技術(shù)中,壓電俘能最具有發(fā)展前途,這是因為壓電材料天然的力電耦合效應(yīng),可以實現(xiàn)力學(xué)量與電學(xué)量之間相互轉(zhuǎn)換,并且其在轉(zhuǎn)換過程中的電能損耗極小。本論文針對壓電俘能技術(shù)這個多學(xué)科交叉問題,開展了大量的壓電俘能/儲能系統(tǒng)的非線性耦合作用及關(guān)鍵動力學(xué)行為研究,從整體角度對壓電俘能器進(jìn)行了全局優(yōu)化,取得一系列創(chuàng)新性成果,具體體現(xiàn)在:
　　1.跨越結(jié)構(gòu)分

2、析與電路設(shè)計等多個學(xué)科建立了關(guān)于壓電俘能/儲能系統(tǒng)的非線性耦合作用模型,重點研究了壓電結(jié)構(gòu)在非線性電路開、閉路交替作用下的動力學(xué)性能,揭示了多時間尺度之間的相互作用規(guī)律以及電路影響壓電結(jié)構(gòu)動力特性的作用機(jī)制,從而實現(xiàn)了壓電俘能器的整體分析和全局優(yōu)化。
　　2.揭示了外載型式和環(huán)境溫度對壓電俘能器性能的影響機(jī)制,提出了頻率控制與溫度補償策略,使得壓電俘能器具備環(huán)境適應(yīng)能力。尤其是為了讓俘能器能從多頻環(huán)境振動中更有效地提取能量,我們提

3、出了具有變頻功能的壓電俘能結(jié)構(gòu),分析結(jié)果顯示:這種壓電結(jié)構(gòu)從易變環(huán)境振動中所提取的能量可以達(dá)到?jīng)]有變頻功能壓電結(jié)構(gòu)所獲能量的數(shù)倍之多。另外,還通過增設(shè)溫度補償層消除了壓電俘能器由溫度變化所引起的頻率漂移,計算結(jié)果表明通過適當(dāng)設(shè)計器件層與補償層的厚度比就可以消除頻率漂移,從而保證了俘能結(jié)構(gòu)的溫度穩(wěn)定性。
　　3.研究了在共振狀態(tài)下工作的壓電俘能器非線性特征,揭示了輸出電流和功率密度在共振附近的多值與跳躍本質(zhì),確定了外載與外負(fù)載等對壓

4、電俘能器非線性性態(tài)的影響規(guī)律。
　　4.研究了壓電結(jié)構(gòu)表面電極對器件整體性能的影響機(jī)理,提出了兩種新穎的電極優(yōu)化設(shè)計方案,明顯降低了電極邊緣的應(yīng)力和電場集中現(xiàn)象,從而大大提高了壓電俘能器安全可靠性。
　　本文突破了多個在壓電俘能技術(shù)綜合分析和實際應(yīng)用中的重點難點問題,開創(chuàng)性地提出了多種性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)俘能器件的新型壓電俘能器模型,得到了一系列適用于不同俘能器模型的優(yōu)化方法和結(jié)論。這些成果不僅對壓電俘能器整體性能的提升具有重要的指