壓電懸臂梁能量收集裝置系統(tǒng)建模與實驗研究.pdf

1、近年來，隨著無線通訊和微機電系統(tǒng)的發(fā)展，微型傳感器、執(zhí)行器技術(shù)等不斷進步并得到廣泛應(yīng)用。這類微器件功耗很低，且要求相應(yīng)的供電部件具有集成度高、體積小、無需更換、無人看管、壽命長等特點。而基于壓電效應(yīng)的壓電能量收集技術(shù)在滿足以上要求的基礎(chǔ)上具有結(jié)構(gòu)簡單、微小化、易于集成、可靠等優(yōu)點，正逐步受到國內(nèi)外關(guān)注和重視。
　　本文基于壓電懸臂梁建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和有限元分析模型，旨在優(yōu)化和改善低頻振動換能器結(jié)構(gòu)，增加工作振動頻率帶寬，提高輸出

2、響應(yīng)性能，使之更加適應(yīng)低頻振動環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計新型壓電磁耦合懸臂梁能量收集器，建立其集總參數(shù)模型，分析結(jié)構(gòu)在諧波激勵、隨機激勵下的響應(yīng)特性，以及不同參數(shù)對于結(jié)構(gòu)輸出性能的影響。最后，通過實驗分析研究壓電懸臂梁能量收集裝置的輸出特性，進一步驗證理論分析的可靠性。主要的工作如下：
　?。?）根據(jù)壓電能量收集器的基本結(jié)構(gòu)模型，建立了相應(yīng)的運動模型、集總參數(shù)模型，推導(dǎo)了基于長度、厚度比、標(biāo)準化頻率等參數(shù)的相關(guān)表達式，分析了各參數(shù)對該

3、結(jié)構(gòu)輸出性能的影響。
　?。?）基于有限元方法進行了該裝置的仿真與優(yōu)化分析，以ANSYS為平臺，完成了結(jié)構(gòu)建模、靜力學(xué)分析、模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析；分析了基板尺寸、質(zhì)量塊高度、壓電層和粘貼層厚度等參數(shù)對結(jié)構(gòu)諧振頻率、輸出電壓等輸出性能的實際影響情況。
　?。?）分析雙晶片壓電懸臂梁能量收集器的輸出性能，并在此基礎(chǔ)上提出磁力水平作用、垂直作用兩種形式的壓電磁耦合結(jié)構(gòu)。建立結(jié)構(gòu)等效集總參數(shù)模型，構(gòu)造動力學(xué)方程和電路方程；利用Run