基于碰撞致上變頻原理的壓電能量收集技術(shù)研究.pdf

1、近年來，隨著低能耗微電子設備和無線傳感器的迅速發(fā)展，無源供電技術(shù)成為研究熱點。傳統(tǒng)的電池供電方式具有壽命有限、更換和維護成本高以及容易污染環(huán)境等缺點。因此，利用能量收集裝置從周圍環(huán)境中獲取能量（如動能、熱能、光能、風能等），并將其轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)和方法成為解決可替代能源問題的關(guān)鍵技術(shù)之一。其中，基于壓電振動的微能量收集方式由于能量密度高、無需單獨電源、實現(xiàn)方式簡單而得到廣泛地應用，成為了一種可以給微電子設備持久供電的有效解決方案。雖然傳

2、統(tǒng)的壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)能量收集裝置結(jié)構(gòu)簡單、平均應變大，但是在非諧振狀態(tài)下能量收集效果急劇下降。本文以碰撞作用下的壓電懸臂梁為研究對象，以人體運動為動力源，從理論建模、有限元仿真和實驗三個層次對碰撞驅(qū)動作用下壓電能量收集方法進行全面的研究。
　　本文結(jié)合壓電碰撞振動能量收集方法的研究現(xiàn)狀及其存在的問題，提出了一種并行驅(qū)動壓電碰撞能量收集器的設計方案，該方法可將低頻的人體步行運動通過質(zhì)量碰撞驅(qū)動壓電梁的高頻諧振，利用上變頻原理在低頻環(huán)境

3、下提高壓電梁的能量收集效率。然后描述其設計原理及科學性，并詳述其創(chuàng)新性結(jié)構(gòu)設計和工作原理，分析碰撞力大小、碰撞接觸面設計和碰撞時間間隔等關(guān)鍵技術(shù)因素對壓電梁能量轉(zhuǎn)換性能的影響，得到能量收集裝置的最佳設計方案，并在此基礎上進一步提出了提升功率密度的設計和方法。
　　論文建立了壓電梁振動條件下的耦合場數(shù)學模型，并通過有限元方法驗證其正確性，研究了外部激勵條件、機械阻尼比和外接負載對壓電梁輸出電壓和頻率的影響，并在此基礎上分析了壓電耦合

4、系數(shù)和機械阻尼比對外接優(yōu)化電阻的影響；建立碰撞作用下壓電梁的數(shù)學計算模型并進行數(shù)值模擬，分析了碰撞力大小對能量轉(zhuǎn)換性能的影響，研究了碰撞作用下壓電梁的最大輸出功率及外接優(yōu)化電阻，并與激振作用下的效果相比較；在上述模型分析的基礎上，并在非諧振和開路電壓相等條件下，比較振動和碰撞作用下壓電梁的輸出特性，揭示了碰撞致上變頻特性對提高輸出功率的影響規(guī)律。
　　論文完成了實驗原型的設計、加工制造和組裝，搭建了實驗平臺并測試了實驗原型裝置的性

5、能：首先測試和驗證了壓電梁在振動條件下的能量轉(zhuǎn)換特性，然后以人體運動為動力源，并在不同步行速度和外接電阻的條件下研究碰撞作用下壓電梁的功率輸出特性，并與理論分析做比較；接著以碰撞接觸面為研究對象，建立力學模型并進行數(shù)值模擬與分析，研究了非對稱圓弧面的設計對能量收集裝置能量轉(zhuǎn)化的影響關(guān)系，并通過實驗來驗證理論分析的結(jié)論。
　　論文研究了碰撞時間間隔與振動周期之比對能量收集效果的影響，結(jié)合能量收集裝置的結(jié)構(gòu)設計特點和碰撞振動原理，分析

6、了圓柱滑塊和壓電懸臂梁在碰撞作用前后的運動特性，得出了重疊距離的極值表達式和最優(yōu)碰撞時間間隔的理論值，并進行數(shù)值模擬分析和比較，從理論上評估和分析了碰撞時間間隔對能量轉(zhuǎn)換的影響規(guī)律；設計并制作了具有不同碰撞時間間隔作用性能的實驗裝置，并進行實驗測試和驗證。
　　在上述實驗研究的基礎上，論文最后對碰撞壓電能量收集裝置在提升功率密度方面進行了探討，根據(jù)壓電碰撞能量收集裝置的工作原理和性能，結(jié)合前面的力學和運動分析，對實驗裝置提出改進方

7、案，評估和預測功率密度可提升的理論值。另外，針對壓電梁輸出的交流電特性，設計了一種采用電容作為儲能介質(zhì)的能量儲存電路，將壓電裝置收集的電能以穩(wěn)定的直流電輸出。通過試驗測試和比較改進前后壓電能量收集裝置的功率密度，并對實驗與理論值的誤差進行了分析和討論。
　　本文所提出新型壓電碰撞能量收集技術(shù)及方法，可將人體步行所產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)換和儲存為穩(wěn)定的直流電，能夠為便攜式微傳感器以及生物傳感器供電，實現(xiàn)真正意義上的無源傳感設備。本文的研究成果