基于壓電效應(yīng)的低頻寬頻帶振動(dòng)能量采集器研究.pdf

1、近年來(lái)，集成電路系統(tǒng)、MEMS設(shè)備及便攜式電子產(chǎn)品日益受人青睞，并廣泛應(yīng)用于人體健康檢測(cè)系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)、軍事安全應(yīng)用系統(tǒng)和野外跟蹤等領(lǐng)域。然而，對(duì)于應(yīng)用在野外環(huán)境等特殊領(lǐng)域的無(wú)線傳感器件而言，傳統(tǒng)的能源供給方式如電池和電力線等存在一些固有的供能缺陷:質(zhì)量大、體積大、供能壽命有限，能量耗盡需要重復(fù)充電等;新型核電池體積小、供電壽命長(zhǎng)，但具有一定放射性，需要特殊防護(hù)措施，尚未獲得廣泛應(yīng)用。在這種背景下，采集環(huán)境中的振動(dòng)能量并轉(zhuǎn)化為電能，

2、已成為特殊環(huán)境中元器件能量供給研究的熱點(diǎn)。環(huán)境振動(dòng)能量采集技術(shù)主要分為三種形式:壓電式、電磁式、靜電式。相對(duì)其他兩種采集能量的方式，基于壓電式的振動(dòng)能量采集器具有高能量密度，無(wú)電磁干擾，而且不需要額外電源供電等優(yōu)點(diǎn)，成為了振動(dòng)能量采集領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。
　　環(huán)境中的振動(dòng)能量在主要分布在較低頻段(＜200Hz)，然而，當(dāng)前大多數(shù)能量采集器的工作頻率高于200Hz，一旦外部環(huán)境的振動(dòng)頻率偏離了采集器的共振頻率，那么采集的能量收集效率便會(huì)

3、急劇下降。因此，如何能夠與環(huán)境多源振動(dòng)相匹配成為振動(dòng)能量采集技術(shù)的關(guān)鍵所在。針對(duì)這一問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了兩種低頻寬頻帶壓電式振動(dòng)能量采集器，實(shí)現(xiàn)高效率的環(huán)境振動(dòng)能量采集，具體完成了以下幾方面的研究工作:
　　(1)從當(dāng)前能量采集方式入手，對(duì)比各種能量采集方式的優(yōu)缺點(diǎn)，得出適宜用于環(huán)境振動(dòng)能量捕獲的方式，即壓電式振動(dòng)能量采集;研究實(shí)現(xiàn)低頻寬頻帶壓電振動(dòng)能量采集的主要方法及其發(fā)展現(xiàn)狀。
　　(2)對(duì)壓電式振動(dòng)能量采集器進(jìn)行理論分析，

4、討論傳統(tǒng)懸臂梁能量轉(zhuǎn)換模型、頻譜特性，分析其用于能量采集的缺陷，并對(duì)有限元仿真軟件進(jìn)行介紹，搭建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)。
　　(3)設(shè)計(jì)了一階、二階傳動(dòng)壓電振動(dòng)能量采集器，介紹其結(jié)構(gòu)組成及工作原理，并進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模及仿真分析。結(jié)果表明，該類型采集器具有低頻寬頻帶特性，尤其二階傳動(dòng)能量采集器，50Hz下出現(xiàn)兩個(gè)電壓峰值，頻帶約拓寬50％，適合用于低頻的隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境中進(jìn)行能量采集。
　　(4)基于柔性框架的插指式低頻寬頻帶振動(dòng)能量采集器