壓電俘能器和變壓器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、近年來，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，許多電子微器件的能耗降至只有幾十到幾百微瓦，這使得我們可從日常環(huán)境中提取能量，再供給耗能較低的微電子設(shè)備使用。由于具有優(yōu)良的力電耦合性能，壓電材料非常適于用來制造一種將環(huán)境中的機械振動能轉(zhuǎn)化為電能的壓電器件，這種壓電器件稱為壓電俘能器，它可看作是壓電變壓器的一半，因為壓電變壓器是將電能轉(zhuǎn)化為機械能，然后再將機械能轉(zhuǎn)化為電能。本文建立了四種壓電俘能器模型和一種新型的壓電變壓器模型，在理論上深入研究了這

2、些壓電器件的工作特征，提出了幾點改善壓電器件工作效能的可行方法，為壓電俘能器和變壓器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了理論指導(dǎo)基礎(chǔ)。具體研究成果有以下幾點：
　　 (1)以線性壓電理論為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出四種不同結(jié)構(gòu)壓電俘能器工作效能的解析解，并采用數(shù)值計算方法，深入研究了壓電俘能器的工作效能與自身的幾何、物理參數(shù)、外界振動頻率以及輸出阻抗之間的具體關(guān)系，從理論上推導(dǎo)出當(dāng)壓電俘能器在某一頻率范圍內(nèi)具有最大工作效能時，各個參數(shù)所對應(yīng)的取值。這對壓電俘

3、能器俘能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義，為將來開發(fā)出高性能壓電俘能器提供了理論基礎(chǔ)。
　　 (2)全面比較了四種壓電俘能器之間的異同點，每種俘能器都有各自的工作頻率范圍。彎曲振動模態(tài)的俘能器能在較低頻率、較低強度的振動環(huán)境中激發(fā)出較大輸出能量，而厚度剪切模態(tài)的俘能器需要在較高頻率、較大強度的振動環(huán)境中才有較大的輸出能量，但厚度剪切模態(tài)的俘能器所能產(chǎn)生的輸出能量上限遠高于彎曲振動模態(tài)的俘能器。這些結(jié)論為我們針對不同使用環(huán)境選用合

4、適的俘能器提供了理論指導(dǎo)。
　　 (3)分析了增加高聚物附加層對厚度剪切圓柱殼俘能器工作特性的影響，所得結(jié)果表明，增加高聚物附加層后俘能器的共振頻率明顯降低，從而極大地擴展了圓柱殼俘能器的使用范圍。
　　 (4)設(shè)計了一種懸掛末端集中質(zhì)量的Rosen型壓電變壓器，推導(dǎo)出了末端集中質(zhì)量和變壓器節(jié)點位置及變壓比之間的解析關(guān)系，指出集中質(zhì)量的懸掛方式取決于變壓器的工作模態(tài)：若工作在一階模態(tài)下則應(yīng)在左端懸掛質(zhì)量，工作在二階模態(tài)下