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基于压电悬臂结构的能量采集研究

作　者: 王宁
导　师: 沈星
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 能量采集压电材料悬臂结构电路仿真振动
分类号: TM619
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 246次
引　用: 3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ORCAD/PSpice进行仿真,并通过实验与仿真经行对比。最后设计了能量存储电路,实现了对锂电池的充电。本文的具体研究内容如下:1.通过研究压电效应及压电方程从而得到基于正压电效应的压电能量采集理论基础,研究分析了适合于压电能量采集的振动模式。2.建立压电悬臂梁的两种典型结构即单晶片悬臂结构与双晶片悬臂结构,对两种结构建立能量转换模型,得出理论公式。通过数值分析得到压电振子的结构尺寸、材料性能以及厚度比对其发电性能的影响规律。3.设计经典能量采集电路与同步电荷提取电路,并使用ORCAD/PSpice对设计的电路进行仿真,分析不同电路的负载对能量采集的影响。设计占空比为定值的控制信号电路,实现对同步电荷提取电路控制开关的控制。4.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,通过设计的电路实现对能量的采集,并把实验结果与仿真结果进行对比。最后设计了能量存储电路,实现了对锂电池的充电。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
图表清单  8-11
注释表  11-12
第一章绪论  12-17
  1.1 引言  12-13
  1.2 压电能量采集的背景及意义  13-14
  1.3 压电能量采集的国内外研究现状  14-15
  1.4 本文主要研究内容  15-17
第二章压电能量采集基础理论  17-27
  2.1 压电效应及压电方程  17-23
    2.1.1 压电效应  17-19
    2.1.2 压电方程  19-23
  2.2 压电能量采集结构的振动模式  23-25
  2.3 压电振子振动的边界条件  25-26
  2.4 本章小结  26-27
第三章压电悬臂结构能量采集的理论特性  27-36
  3.1 压电悬臂梁的两种典型结构  27-28
  3.2 理论分析  28-32
    3.2.1 单晶片悬臂梁能量转换模型  28-30
    3.2.2 双晶片悬臂梁能量转换模型  30-32
  3.3 理论计算与数值分析  32-35
  3.4 本章小结  35-36
第四章压电能量采集电路的仿真研究  36-53
  4.1 等效电路  36-37
  4.2 经典能量采集电路  37-44
    4.2.1 仿真软件ORCAD/PSpice 介绍  38-39
    4.2.2 经典能量采集电路图仿真  39-42
    4.2.3 经典能量采集电路负载能力仿真  42-44
  4.3 同步电荷提取能量采集电路  44-52
    4.3.1 DC-DC 转换器  45-48
    4.3.2 同步电荷提取电路仿真  48-52
  4.4 本章小结  52-53
第五章压电能量采集的实验研究  53-70
  5.1 压电悬臂梁的制备及实验平台的搭建  53-57
    5.1.1 压电振子制作  53-55
    5.1.2 实验平台搭建  55-57
  5.2 能量采集电路的实验及结果  57-65
    5.2.1 经典能量采集电路实验  59-62
    5.2.2 同步电荷提取电路实验  62-65
  5.3 能量存储电路的设计与实验  65-69
  5.4 本章小结  69-70
第六章总结与展望  70-72
  6.1 结论  70
  6.2 展望  70-72
参考文献  72-76
致谢  76-77
在硕士期间发表的学术论文  77

基于压电悬臂结构的能量采集研究

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