密閉容腔氣體載荷激勵下盤型壓電俘能器理論與實驗研究.pdf

1、氣動技術(shù)因具有高效、安全、低成本等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化生產(chǎn)等領(lǐng)域。由于氣動系統(tǒng)工況復(fù)雜、狀態(tài)參量多，往往需要采用多種傳感器對系統(tǒng)的壓力、流量、溫度及位置等參數(shù)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集與狀態(tài)檢測。為解決氣動系統(tǒng)傳感器供能的問題，本文將開展密閉容腔氣體載荷激勵下盤型壓電俘能器研究工作，利用壓電材料具有的結(jié)構(gòu)簡單、能量密度高、易安裝等特點，研制適用于工業(yè)高壓氣體激勵環(huán)境的壓電俘能器。
　　論文分析了盤型壓電片在高壓氣體載荷激勵下的發(fā)電機(jī)理

2、，建立盤型壓電單晶片的數(shù)學(xué)模型，理論研究了雙模量壓電單晶片在高壓氣體載荷的作用下的撓曲形變，以及形變量與電能轉(zhuǎn)化的關(guān)系。通過ANSYS仿真軟件分析不同尺寸、厚度的盤型壓電片的發(fā)電特性。結(jié)合理論分析結(jié)果研究高壓氣體激勵下壓電俘能器原理型樣機(jī)的俘能特性。開展單腔壓電俘能器的設(shè)計，確定俘能器的結(jié)構(gòu)和尺寸。然后搭建了實驗樣機(jī)電壓輸出特性測試系統(tǒng)，通過LabVIEW搭建軟件系統(tǒng)，對單腔壓電俘能器的輸出特性進(jìn)行實驗研究與分析。
　　在單腔俘能

3、器的基礎(chǔ)上模擬復(fù)雜氣體載荷環(huán)境，開展渦流激勵壓電俘能器和交變氣體載荷下壓電俘能器的研究工作。理論分析渦流場形成機(jī)理，假設(shè)密閉容腔內(nèi)部高壓氣體環(huán)境為剛性流動，通過建立數(shù)學(xué)模型分析渦流轉(zhuǎn)動慣量與存儲能量之間的關(guān)系，研究氣體速度矢量分布對缸筒壁面的慣性作用力，從而指導(dǎo)耦合容腔壓電俘能器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。仿真分析耦合容腔內(nèi)部渦流形成規(guī)律及分布狀態(tài)。利用FLUENT流體仿真軟件對不同尺寸耦合容腔內(nèi)部流場進(jìn)行分析，設(shè)計耦合容腔實驗物理樣機(jī)并搭建實驗測試系

4、統(tǒng)，通過實驗手段研究不同渦流狀態(tài)下的壓電俘能特性，通過外接負(fù)載電阻分析俘能器電阻匹配關(guān)系，研究不同氣體參數(shù)對俘能器能量轉(zhuǎn)化效率的影響。實驗結(jié)果表明渦流可提高壓電俘能器能量轉(zhuǎn)化效率。
　　定質(zhì)量分?jǐn)?shù)氣體是密閉壓縮環(huán)境的一種特殊情況，通過建立壓縮容腔數(shù)學(xué)模型，理論分析氣體壓縮過程對壓電俘能器的影響規(guī)律，設(shè)計定質(zhì)量分?jǐn)?shù)壓電俘能器結(jié)構(gòu)并加工實驗樣機(jī)，搭建實驗測試系統(tǒng)，研究俘能器的電能轉(zhuǎn)化特性。最后開展氣動工況下壓電俘能器實驗研究，設(shè)計氣動