低頻寬帶振動能量采集器的結構設計與實現(xiàn).pdf

1、環(huán)境振動能作為一種常見的能量形式，廣泛存在于大型工礦設備，交通運輸裝備，公路、橋梁等大型工程建筑，以及生物體活動中。采集環(huán)境中的振動能量，為微納監(jiān)測器件供電，對于解決高噪、高振動，野外環(huán)境，生物微環(huán)境等特殊環(huán)境中電子監(jiān)測器件的能源穩(wěn)定供給問題，具有重要的研究意義和實用價值；同時，環(huán)境能量采集系統(tǒng)的研究對于解決傳統(tǒng)能源供給方式（如化學電池）體積大、生命周期有限、污染環(huán)境等問題也提供了新的研究思路。
　　環(huán)境中的振動一般均表現(xiàn)為多個振

2、動的相互作用，具有加速度幅值小，振動頻率低（<200Hz），頻帶較寬等特點。而傳統(tǒng)的基于壓電效應的振動能量采集器由于固有頻率高，工作頻帶窄，已不能滿足當前環(huán)境振動能量采集的需求。針對上述問題，本論文提出了一種基于線性多自由度理論的振動能量采集裝置，實現(xiàn)了100 Hz以下范圍內的多模態(tài)寬頻能量采集。具體研究內容如下：
　　（1）概括了當前的特殊環(huán)境下微納傳感器件的自供電問題，并對靜電式、壓電式以及電磁式三種傳統(tǒng)的振動能量采集方式做了

3、介紹。其中，著重分析了壓電式振動能量采集器的最新發(fā)展趨勢，以及典型研究工作中所涉及能量采集器件的優(yōu)缺點，在此基礎上對本論文所設計的低頻寬帶能量采集結構提出要求。
　?。?）研究了壓電式能量采集的理論基礎，包括壓電效應基本概念、壓電材料及其性能參數以及壓電方程等。并從理論上分析了傳統(tǒng)懸臂梁式振動能量采集器的機電轉換特性、頻譜特性以及其性能缺陷。
　　（3）設計了一種線性多自由度能量采集裝置，建立數學模型進行理論分析，并應用CO

4、MSOL有限元軟件進行了仿真計算。結果表明，隨著自由度的增加，共振頻率明顯降低；線性多自由度度能量采集器在0-200Hz范圍內出現(xiàn)多個共振模態(tài)，模態(tài)接近或相連，有效拓寬了工作頻帶。
　?。?）搭建了能量采集系統(tǒng)測試平臺。對加工制造的線性單自由度、二自由度以及三自由度能量采集裝置進行了開路電壓測試和功率測試。實驗結果表明，線性三自由度能量采集器的有效工作帶寬拓展到15Hz，為單自由度結構的375％；同時其在一階固有頻率處的最大輸出功