懸臂梁壓電振動(dòng)能量收集系統(tǒng)輸出功率的優(yōu)化.pdf

1、壓電式振動(dòng)能量采集方法因其機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)高、清潔環(huán)保、易于小型化等優(yōu)點(diǎn)，成為振動(dòng)能量采集領(lǐng)域研究的重點(diǎn)之一。當(dāng)壓電換能器工作頻率在諧振點(diǎn)時(shí)，有最大功率輸出;當(dāng)其工作頻率偏離諧振點(diǎn)時(shí)，輸出功率會(huì)大幅下降。因此，如何拓寬其工作頻帶，讓其在非諧振點(diǎn)處也有較大的輸出功率，對(duì)壓電能量收集研究提出了更高的要求。本文以提高懸臂梁壓電發(fā)電系統(tǒng)在非諧振點(diǎn)處輸出功率為最終目標(biāo)，在對(duì)其進(jìn)行理論建模分析基礎(chǔ)上，提出了串、并聯(lián)電感以實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償來提高輸出功率的方法

2、，研究了機(jī)電耦合度及激振加速度兩個(gè)參數(shù)對(duì)其輸出功率的影響，并分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。最后，對(duì)并聯(lián)電感帶有標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)能的電路進(jìn)行了功率特性分析，嘗試設(shè)計(jì)了后端能量存儲(chǔ)及管理電路，并分析了該電路對(duì)無線傳感節(jié)點(diǎn)的供電能力。
　　通過對(duì)壓電懸臂梁集總模型分析，并基于壓電振子的阻抗特點(diǎn)，提出了利用串、并聯(lián)電感對(duì)壓電懸臂梁進(jìn)行功率補(bǔ)償?shù)姆椒?。首先，通過對(duì)改進(jìn)的壓電懸臂梁電路進(jìn)行機(jī)電耦合分析，預(yù)測(cè)了匹配電阻、匹配電感、最大輸出功率及功率提高倍數(shù)，并仿真

3、分析了輸出功率在不同電感值時(shí)隨負(fù)載電阻的變化規(guī)律。其次，從阻抗匹配的角度，分析了串、并聯(lián)電感提高輸出功率的機(jī)理。再次，通過實(shí)驗(yàn)比較了并聯(lián)電感電路與無電感電路的功率曲線，分析了不同激振頻率下并聯(lián)電感來改善輸出功率的可行性。結(jié)果表明，當(dāng)激振頻率分別為諧振頻率的0.8和1.2倍時(shí)，并聯(lián)電感后最大輸出功率分別是純電阻負(fù)載的31.5和18.2倍，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析基本一致。最后，提出了以已有壓電懸臂梁為參考進(jìn)行不同機(jī)電耦合度的懸臂梁逆向設(shè)計(jì)方法，

4、分析了機(jī)電耦合度對(duì)輸出功率的影響，得出了在特定環(huán)境及結(jié)構(gòu)參數(shù)約束條件下，存在一匹配機(jī)電耦合度使得輸出功率最大的結(jié)論。研究了三種激振加速度幅值條件下輸出功率變化規(guī)律及其工作頻帶特點(diǎn)，結(jié)果表明激振加速度越大輸出功率越大，同時(shí)工作頻帶有微弱的拓寬作用。
　　實(shí)驗(yàn)首先探究了偏離諧振點(diǎn)時(shí)并聯(lián)電感帶有標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)能的電路輸出功率的特性。其次比較了并聯(lián)電感的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)能電路和同步開關(guān)電感電路在提高輸出功率方面各自的特點(diǎn)。最后，設(shè)計(jì)了能量存儲(chǔ)及管理電路。結(jié)