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基于压电材料的环境振动能量采集

作　者: 朱波
导　师: 刘文波
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 测试计量技术与仪器
关键词: 压电双晶梁 ANSYS 能量采集同步电荷采集电路手摇式压电发电装置
分类号: TM619
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 22次
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内容摘要

随着科技的发展，各种便携式发电装置的研究将成为新的研究热点，其目的是在某些特殊的应用领域替代电池或自动为电池充电。利用每一种发电原理构造的发电装置都有其自身的特点和使用领域，压电发电装置的优点在于结构简单、无电磁干扰、易于加工制作和实现结构上的微小化、集成化等，尤其适用于各类传感及监测系统。本文通过对压电悬臂结构的理论特性分析，得出了压电振子最佳的结构尺寸，并制作了压电双晶片振子，对经典能量采集电路和同步电荷提取电路通过进行Multisim仿真。最后设计了能量存储电路，实现对储能元件的充电。本文的具体研究内容如下：通过分析环境中振动源的特性理论基础，结合压电材料研究分析了适合于压电能量采集的振动模式。对双晶压电悬臂梁进行建模得出理论公式。通过数值分析得到压电振子的结构尺寸、材料性能等相关参数对输出功率、谐振频率、最优负载等性能的影响。并利用ANSYS仿真软件对理论推导结果进行验证。利用上述提出的一些结论对压电梁的结构尺寸进行优化，并针对某一定激振频率、振动加速度、尺寸空间限制对压电双晶梁进行设计优化求解。设计同步电荷整流电路和DC-DC变换器，并使用Multisim软件对设计的电路进行仿真验证。最后选取合适的压电材料和基板材料，制作了压电双晶片振子，搭建实验平台以验证仿真结果，利用采集电路对储能元件充电，设计了一种手摇式的压电能量采集装置。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-6
目录  6-9
图表清单  9-12
注释表  12-13
第一章绪论  13-17
  1.1 前言  13
  1.2 研究背景  13-15
  1.3 研究的目的  15-16
  1.4 主要研究内容  16-17
第二章压电发电基础理论  17-22
  2.1 压电原理  17-20
    2.1.1 压电材料  17
    2.1.2 压电陶瓷  17-18
    2.1.3 压电方程  18-20
  2.2 压电换能器的工作模式与结构  20-21
    2.2.1 压电工作模式  20-21
    2.2.2 压电换能器的结构  21
  2.3 本章小结  21-22
第三章压电双晶梁机电耦合特性分析  22-45
  3.1 等效电路模型的建立  22-23
  3.2 压电双晶梁动态性能建模  23-29
    3.2.1 压电双晶梁构成  24
    3.2.2 压电梁平均应力分析  24-25
    3.2.3 压电梁整体受力分析  25-26
    3.2.4 压电梁应力和输出电压间关系  26
    3.2.5 压电梁动态性能等效模型建立  26-27
    3.2.6 等效模型求解  27-29
      3.2.6.1 谐振角频率求解  27-28
      3.2.6.2 输出功率计算  28
      3.2.6.3 最大应力值计算  28-29
  3.3 数值计算与仿真分析  29-33
    3.3.1 材料参数  29
    3.3.2 压电梁理论计算与仿真  29-33
  3.4 有限元仿真分析  33-39
    3.4.1 压电双晶悬臂梁有限元模型建立  33-34
    3.4.2 有限元仿真分析  34-38
    3.4.3 理论分析结果与有限元仿真结果对比  38-39
  3.5 压电双晶梁尺寸的优化与选择  39-41
    3.5.1 根据给定振动源和空间限制设计压电双晶梁  39
    3.5.2 参数优化求解  39-40
    3.5.3 优化尺寸参数 ANSYS 仿真验证  40-41
  3.6 压电双晶梁在低频振动激励下性能  41-44
  3.7 本章小结  44-45
第四章压电能量采集存储电路  45-60
  4.1 采集电路构成  45-46
  4.2 全桥整流电路分析  46-48
  4.3 改进型同步电荷提取整流电路  48-54
    4.3.1 改进型的原理  48-51
    4.3.2 两种整流电路仿真与对比  51-54
      4.3.2.1 经典整流电路仿真  51-52
      4.3.2.2 改进型整流电路仿真  52-54
  4.4 DC-DC 转换器电路  54-57
  4.5 DC-DC 转换器电路仿真  57-59
  4.6 本章小结  59-60
第五章压电能量采集实验研究  60-68
  5.1 压电双晶梁的制备及实验平台搭建  60-65
    5.1.1 压电双晶梁的制作  60-62
    5.1.2 实验平台搭建  62-63
      5.1.2.1 实验架构  62-63
      5.1.2.2 压电梁谐振频率测定  63
    5.1.3 采集电路实验  63-65
  5.2 手摇式发电装置设计  65-68
    5.2.1 振动源确定  65
    5.2.2 压电梁尺寸设计流程  65-67
    5.2.3 发电装置结构设计  67-68
第六章总结与展望  68-70
  6.1 总结  68
  6.2 展望  68-70
参考文献  70-74
致谢  74-75
攻读硕士学位期间的研究成果及发表的学术文章  75-76
附录  76-81

基于压电材料的环境振动能量采集

内容摘要

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