基于壓電復(fù)合材料的振動能量捕獲關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是近年來發(fā)展較為迅速的一種新型網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),具有功耗小、成本低、易實現(xiàn)等特點,應(yīng)用前景非常廣泛。然而傳感器節(jié)點的供電問題一直是制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的瓶頸問題之一。迫切需要一種能夠解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點自供電的新技術(shù)。機(jī)械振動能是自然界普遍存在的能量。利用環(huán)境能量振動捕獲技術(shù)產(chǎn)生的電能取代干電池向傳感器節(jié)點供電是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點和前沿課題。壓電式能量捕獲裝置利用壓電材料的壓電效應(yīng),能夠?qū)C(jī)械振動能轉(zhuǎn)換為電能,這對解

2、決傳感器節(jié)點的自供電問題具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價值。本論文結(jié)合國家自然科學(xué)基金項目的研究內(nèi)容,主要進(jìn)行了基于壓電復(fù)合材料的振動能量捕獲關(guān)鍵技術(shù)的研究,研究內(nèi)容包括:
　　1.在查閱無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和振動能量捕獲技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上,分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的供電和能耗問題,歸納出其中急需解決的關(guān)鍵共性技術(shù)問題,進(jìn)而確定了本文的研究思路。
　　2.通過對壓電材料的分析,了解到壓電復(fù)合材料以復(fù)合材料的加和性、組合性及乘積性具有其

3、原兩相材料所不具有的獨特性能,分析了0-3型壓電復(fù)合材料的性能特點,確定了本論文以0-3型壓電復(fù)合材料作為壓電式能量捕獲裝置的壓電體。
　　3.以懸臂梁壓電振子作為研究對象,深入分析了懸臂梁壓電振子振動發(fā)電的發(fā)電機(jī)理,建立了振動理論模型,推導(dǎo)出懸臂梁壓電振子各階固有頻率的計算公式,完成了模型結(jié)構(gòu)參數(shù)與固有頻率之間的關(guān)系分析;研究了壓電振子機(jī)電轉(zhuǎn)換原理,建立了壓電振子發(fā)電理論模型,完成了模型參數(shù)與振子發(fā)電能力之間的關(guān)系分析,為仿真分

4、析和試驗研究奠定理論基礎(chǔ)。
　　4.采用有限元法,通過ANSYS10.0有限元分析軟件,建立了壓電振子振動發(fā)電的有限元模型,進(jìn)行了懸臂梁壓電振子的靜力學(xué)分析和模態(tài)分析,得出了懸臂梁壓電振子參數(shù)與振子發(fā)電能力與固有頻率之間的關(guān)系,并對不同尺寸的懸臂梁壓電振子的發(fā)電能力進(jìn)行了有限元分析,為設(shè)計最適合的懸臂梁壓電振子提供了依據(jù)。
　　5.搭建了基于壓電復(fù)合材料的懸臂梁壓電振子振動發(fā)電試驗平臺,對懸臂梁壓電振子的發(fā)電能力進(jìn)行了試驗研

5、究,研究結(jié)果驗證了理論研究與有限元仿真分析的正確性和有效性。
　　6.在此基礎(chǔ)上,設(shè)計了能量轉(zhuǎn)換和收集控制電路。在掃頻信號發(fā)生器工作在1Vrms的持續(xù)電壓、激振頻率在100Hz的正弦波激振下,壓電振子的輸出電壓穩(wěn)定在+5V左右,能夠滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能耗的需要。
　　綜上所述,論文從理論研究、仿真分析和試驗研究三個方面對懸臂梁壓電振子的振動發(fā)電能力進(jìn)行了深入研究,設(shè)計的基于壓電復(fù)合材料的振動能量捕獲系統(tǒng)能實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)