壓電懸臂梁振動能量收集器結(jié)構(gòu)設(shè)計及實(shí)現(xiàn).pdf

1、近年來,壓電能量收集技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注。作為長期甚至無限生命周期的自主供電系統(tǒng),壓電能量收集器在一些不便更換電池或者希望避免電池更換的場合具有廣闊的發(fā)展空間。然而,其輸出功率仍然偏小,尚不能滿足實(shí)際應(yīng)用。
　　為提高壓電能量收集器的輸出功率,本文從壓電振動能量收集器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計及實(shí)現(xiàn)入手,對壓電能量收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和能量收集電路兩個方面具體分析,設(shè)計了提高能量收集器件性能的幾種結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了理論及實(shí)驗(yàn)研究。
　　首先,針對不同形

2、狀基板和不同形狀壓電片的單壓電片式懸臂梁能量收集器的發(fā)電行為進(jìn)行了有限元建模和仿真分析,得出矩形基板和矩形壓電片為最佳模型的結(jié)論,并在此基礎(chǔ)上對壓電片和基板進(jìn)行尺寸優(yōu)化。
　　為進(jìn)一步提高壓電能量收集器的輸出功率并滿足不同應(yīng)用場合的需求,提出幾種多壓電片式能量收集器結(jié)構(gòu),主要包括壓電雙晶片懸臂梁式能量收集器、陣列式懸臂梁結(jié)構(gòu)能量收集器和基于疊層結(jié)構(gòu)的壓電能量收集器,通過理論分析及有限元仿真,得出如下結(jié)論:對壓電雙晶片懸臂梁式能量收

3、集器和陣列式懸臂梁結(jié)構(gòu)能量收集器,串聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)的最大輸出功率相等,而且串聯(lián)結(jié)構(gòu)的最佳匹配電阻為并聯(lián)結(jié)構(gòu)的4倍,同時串聯(lián)結(jié)構(gòu)的最佳輸出電壓為并聯(lián)結(jié)構(gòu)的2倍,并聯(lián)結(jié)構(gòu)的最佳輸出電流為串聯(lián)結(jié)構(gòu)的2倍。疊層結(jié)構(gòu)的輸出電流相比單片式能量收集器明顯增大。
　　在上述理論分析和仿真分析的基礎(chǔ)之上,搭建了壓電振動能量收集器測試平臺,分析設(shè)計了能量轉(zhuǎn)換和存儲電路,并對懸臂梁壓電能量收集器的輸出結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析、有限元仿真