寬頻壓電振動(dòng)能量采集器的設(shè)計(jì)理論及其力電特性分析研究.pdf

1、寬頻壓電振動(dòng)能量采集器的設(shè)計(jì)理論及其力電特性分析研究摘要隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，使用可持續(xù)電能代替化學(xué)電池為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電已經(jīng)成為一個(gè)亟待解決的問題。這主要是由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布眾多，大多長(zhǎng)期工作在無人值守的工作狀態(tài)，定期更換電池給節(jié)點(diǎn)補(bǔ)充能量會(huì)造成人力和物力資源的浪費(fèi)。因此，尋求可持續(xù)的供電方法來代替電池供電是突破無線傳感器系統(tǒng)壽命瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)。目前，基于環(huán)境振動(dòng)的壓電能量采集技術(shù)是一個(gè)解決該問題的新方法。壓電能量

2、采集是利用壓電陶瓷晶片的壓電效應(yīng)，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作環(huán)境中的振動(dòng)能采集轉(zhuǎn)化為電能。這種技術(shù)以自給自足的方式解決自身供電問題，突破了電池電源使用壽命短和污染環(huán)境等的缺陷，是一種高效、清潔無污染的新型能量采集技術(shù)。典型的壓電振動(dòng)能量采集器是末端帶有質(zhì)量塊的壓電雙晶懸臂梁結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)工作頻率單一、頻帶較窄、能量采集效率低。由于環(huán)境振動(dòng)的頻帶較寬，且隨機(jī)性較大。當(dāng)環(huán)境振動(dòng)頻率稍微偏離壓電振動(dòng)能量采集器的諧振頻率時(shí)，壓電振動(dòng)能量采集器的采

3、集和轉(zhuǎn)換效率將大大降低。因此，如何拓寬現(xiàn)有壓電振動(dòng)能量采集器的工作頻帶是提高其輸出性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。IIIllIlllUIIIIrllIIIIIIIIIlitIIIY2531760影響，得到優(yōu)化后的寬頻能量采集器結(jié)構(gòu)尺寸和設(shè)計(jì)參數(shù)。論文第四章研究了L型寬頻壓電振動(dòng)能量采集器的理論模型。利用壓電理論、EulerBemoulli梁振動(dòng)理論和哈密頓原理，首次建立了L型寬頻壓電振動(dòng)能量采集器在夾持自由邊界條件下的機(jī)電耦合數(shù)學(xué)模型，得到系統(tǒng)的諧

4、振頻率和特征方程。利用MATLAB軟件仿真分析了L型寬頻壓電振動(dòng)能量采集器各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)模態(tài)頻率、末端速度、輸出電壓、輸出電流和輸出功率的影響，得到影響L型寬頻壓電振動(dòng)能量采集器振動(dòng)頻率、能量輸出特性的主要因素。論文第五章研究建立了L型寬頻壓電振動(dòng)能量采集器的等效電路模型?？缭浇Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)，將L型寬頻壓電振動(dòng)能量采集器的壓電元件等效成串聯(lián)的恒流源，首次得到了L型寬頻壓電振動(dòng)能量采集器與負(fù)載阻抗之間的等效電路模型。利用該模型對(duì)L型寬頻