低频振动环境下压电俘能器的设计及实现

发布时间：2020-08-14 09:10

【摘要】：压电俘能器能够直接将周围环境中存在的振动能量转换为电能,是目前能源领域研究的热点。压电悬臂梁作为压电俘能器中最为常见的结构形式,具有相对较低的谐振频率以及较高的机电转换效率。值得注意的是,只有当其工作在谐振频率附近时,才能产生较高的发电性能。然而,我们生活周围大多数振动的频率分布在次声频段,同时振动的形式是多元的,其大小、方向具有波动性。因此,绝大部分振动环境难以为压电悬臂梁提供一个稳定的谐振条件,从而导致了压电悬臂梁的能量收集效率大大降低。本文对压电悬臂梁的能量收集特性进行了研究和分析,指出了其在低频振动下应用的局限性。结合碰撞升频转换的方法,提出了一种基于摆球碰撞式压电俘能器的设计方法,并对其进行了有限元分析和实验验证,为如何有效在低频振动环境下进行能量收集提供一个新的研究思路。通过有限元分析和实验验证的方法,对压电悬臂梁的材料属性以及结构参数进行了分析;研究了单压电片悬臂梁、并联双压电片悬臂梁以及串联双压电悬臂梁三种不同连接形式下输出电压、输出功率、最优负载以及内阻抗之间的关系。通过分析指出谐振模式下压电悬臂梁的工作带宽窄,当外界振动频率偏离谐振频率时,输出功率迅速下降。通过有限元仿真对碰撞力作用下压电悬臂梁的输出特性进行了分析。结果指出压电片长度越短,厚度越薄,机械结构阻尼比越小,自由衰减产生的开路电压幅值越大,衰减振动持续时间越长。在压电悬臂梁结构的基础上,提出一种单摆球碰撞式压电俘能器,利用有限元软件对摆球和压电悬臂梁的碰撞过程进行了模拟仿真。根据有限元的仿真分析和实际测试结果,该装置能有效地将外界低频振动转换为摆球与悬臂梁的高频碰撞,从而使得压电悬臂梁上产生较高的电压输出。当外界振动频率为2Hz、幅值为2.5mm时,摆球和悬臂梁之间的碰撞频率达到了10Hz,碰撞作用引起压电悬臂梁产生的输出电压峰值可达30.2V和26.1V。当将两压电悬臂梁并联之后,在最优负载130kΩ下的平均输出功率为10.53μW。通过仿真分析和实验测试指出,外界振动频率在1Hz到8Hz之间时均能引起摆球和悬臂梁的碰撞。结合实际的应用场景(如波浪环境或人体运动环境),针对这种抖动振动形式,在单摆球压电俘能器的基础上,提出一种双摆球压电俘能结构。相比于单摆球结构,双摆球结构下每次碰撞能够与两个压电悬臂梁同时发生作用。该结构不仅增加了压电俘能器的输出功率,提高能量收集密度,同时还能够有效降低压电俘能器的匹配负载。在频率为2Hz、幅值为10°的摆动激励下,外接负载为47kΩ,测得双摆球压电俘能器的平均输出功率达到了43μW。最后,对经过整流滤波电路后的输出电信号进行了测试与分析,在470μF滤波电容下测得电容两端稳定直流输出电压为5.07V,足以满足微机电系统供能需求。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM619
【图文】：

功率密度,能源

图 1-1 不同能源功率密度和电压的对比式能量收集器有其独特的优势，但在实际的应用中，由于环境方向通常是未知的，因此如何来设计自适应调节固有频率以器是人们研究的热点。同时在自然环境中绝大多数都是低频振＜3Hz)[10]，往往都偏离了器件的谐振频率，如何有效地提高对效率也是目前的研究方向。本文从压电悬臂梁结构出发，分析频振动下应用的局限性，提出了一种基于摆球碰撞式压电俘效地在低频振动环境下收集电能提供一种新的研究思路。的研究现状与进展收集技术的基本原理，即在外界振动源的作用下，压电材料发材料的正压电效应，使得在压电材料的上、下表面产生正、负

压电,压电材料,正压电效应,转换特性

华中科技大学硕士学位论文、压电振子结构形式、能量收集电路几个方面的研究进行简要的介绍。压电俘能器的宽频技术以及低频俘能技术方面进行详细的介绍。压电材料在俘能器中的应用在 1880 年，居里兄弟就发现了 α-石英晶体具有压电特性。当电介质晶用而发生形变时，在其表面会产生成比例的异号电荷，这种现象称为正图 1-2(a)所示；反之，晶体受到外电场作用会成比例的产生形变，此称，如图 1-2(b)所示。压电材料正是具有这种能将机械能转换为电能的特泛用于振动能量收集领域。

工艺流程图,压电,PZT薄膜,工艺流程图

图 1-3 Lei 等制作的基于 PZT 薄膜的微型压电俘能器的工艺流程图(a)和制作实氟乙烯（PVDF）是由单体偏氟乙烯（CH2=CF2）合成的半结晶型（-CF2-CF2-）。PVDF 需经过拉伸极化后才具有压电效应。相比于压电有良好的柔韧性、可加工性以及耐疲劳性，因而被用于大应变和冲击集。早在 1984 年，Hausler[17]等人就通过 PVDF 薄膜对动物呼吸产生研究。该装置安置在狗的相邻肋骨间，得到了 17μW 的连续功率输出ks[18]等利用 PVDF 来将动脉的扩张和收缩能转换为的电能，来为植入能，如图 1-4 所示。测得输出电压为 1.2V,最大输出功率为 16μW。

【相似文献】