（机械工程专业论文）基于压电陶瓷的振动能量捕获关键技术研究.pdf

国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 摘要 如何在不用导线或电缆的情况下对获取的装备状态信号进行有效传输是当f j i 监控领域一个重要的研究方向，而无线传感器网络的兴起为此带来了契机。对无 线传感器来说，供电问题是制约其应用的瓶颈问题之一，而传统的电池供电方式 存在装拆不方便、需定期更换、维护费用高等缺点，迫切需要一种能为无线传感 器进行永久供电的新技术。近些年来，能量捕获技术成为状态监控领域研究的一 个前沿课题，它将设备或周围环境中的其它能量转为电能，对实现无线传感器的 自供电具有重要意义和应用价值。 对于装备而言，工作时持续的机械振动就是一种很好的能量源。为此，论文 在部委级科研项目、装备预研基金项目和国家自然科学基金项目资助下，深入开 展了基于压电陶瓷的振动能量捕获关键技术研究，分析了悬臂梁压电振子振动发 电的机理，建立了悬臂梁压电振子理论及有限元模型，并进行了发电行为的仿真 分析和实验验证。 论文主要内容包括： 1 广泛调研了基于压电陶瓷的振动能量捕获技术国内外研究现状，在此基础 上分析和归纳了其中需要解决的关键技术，确定了论文的研究思路。 2 以悬臂梁压电振子为对象，深入分析了压电振子振动发电的机理，建立了 振动发电的数学模型，为有限元仿真和实验研究提供了理论基础；针对矩形压电 振子存在应力集中、没有充分利用的问题，对不同形状压电振子的发电能力进行 理论分析。分析表明，在相同的条件下三角形悬臂梁压电振子表面应变分布较均 匀，产生的电压最大，梯形压电振子次之，矩形压电振子的最小。 3 采用有限元分析方法，建立了悬臂梁压电振子的有限元模型，进行了静力 学和模态分析，得到了悬臂梁压电振子各参数及外加质量块对其发电量及固有频 率的影响规律；并对不同形状的悬臂梁压电振子的发电行为进行了有限元仿真。 仿真结果与理论分析定性一致，为压电振子的优化设计提供了理论指导。 4 构建了悬臂梁压电振子振动发电研究实验台，设计了振动发电转换和存储 电路，并对悬臂梁压电振子的振动发电行为进行了详细实验研究，实验数据分析 结果验证了理论分析和有限元仿真的正确性。 总之，论文从理论分析、有限元仿真和实验研究三个角度对悬臂梁压电振子 的振动发电行为进行了深入研究。得到了压电振子各参数及质量块对产生电压及 固有频率的影响规律，研究了不同形状压电振子发电能力，为无线传感器自供电 研究与应用做出了重要探索。 主题词：无线传感器振动发电压电陶瓷悬臂梁压电振子有限元分析 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 a bs t r a c t h o wt oo b t a i na r m a m e n t s c o n d i t i o n sa n dt h e nt r a n s m i tt h e mw i t h o u tw i r e si so n e o fi m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o n si nc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga r e a s t h ed e v e l o p m e n to f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sp r o v i d e sag o o ds o l u t i o nf o ri t a st ow i r e l e s ss e n s o r s ，p o w e r s u p p l yi sam a j o rb o t t l e n e c kp r o b l e ma f f e c t i n gt h e i ra p p l i c a t i o n s t h et r a d i t i o n a lw a yo f u s i n ge l e c t r o c h e m i c a lb a t t e r i e sh a v es u c hd i s a d v a n t a g e sa si n c o n v e n i e n ti n s t a l la n d u n i n s t a l l ，p e r i o d i c a lr e p l a c e m e n ta n de x p e n s i v em a i n t e n a n c ec o s t s ，s oi ti sn e c e s s a r yt o f i n da n o t h e rw a yt o p o w e rw i r e l e s ss e n s o r sp e r m a n e n t l y n o w a d a y se m e r g i n g h a r v e s t i n ge n e r g yt e c h n o l o g i e sb e c o m ear e s e a r c hh o t s p o ti nc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga r e a s ， w h i c ht r a n s f o r mo t h e re n e r g ys o u r c e st oe l e c t r i c a le n e r g y i ti so fg r e a ti m p o r t a n t s i g n i f i c a n c et os e l f - p o w e rw i r e l e s ss e n s o r s a st oa r m a m e n t s ，v i b r a t i o ni sju s ta ni d e a le n e r g ys o u r c e f u n d e db yn a t i o n a l d e f e n s eb a s i sr e s e a r c hp r o j e c t ，a r m a m e n ta d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c ta n dn a t i o n a l s c i e n c ef o u n d a t i o np r o j e c to fc h i n a , i nt h i sp a p e rs o m ek e yt e c h n i q u e so fv i b r a t i o n e n e r g yh a r v e s t i n gb a s e do np i e z o e l e c t r i cc e r a m i ca r ed e e p l ys t u d i e d t h ee l e c t r i c i t y g e n e r a t i o np r i n c i p l e sb a s e d o np i e z o e l e c t r i cc a n t i l e v e rb e a m si s a n a l y z e d t h e n t h e o r e t i c a la n df i n i t ee l e m e n tm o d e l sa r eb u i l t i nt h ee n d ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n d e x p e r i m e n t sa r ed o n e t h ed e t a i l e dc o n t e n t sa n di r m o v a t i v ew o r ko ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s 1 t h ed e v e l o p m e n to fv i b r a t i o ne n e r g yh a r v e s t i n gb a s e do np i e z o e l e c t r i cc e r a m i c a th o m ea n da b r o a di sr e v i e w e da n dt h e nk e yt e c h n o l o g i e sn e e d e dt ob ea r ea n a l y z e d a n ds u m m a r i z e d ，w h i c hi st h eb a s i so ft h i sp a p e r 2 c o n s i d e r i n gp i e z o e l e c t r i cc a n t i l e v e rv i b r a t o r sa sar e s e a r c ho b j e c t ，t h ee l e c t r i c i t y g e n e r a t i o np r i n c i p l e so fp i e z o e l e c t r i cc a n t i l e v e rb e a m si sa n a l y z e da n dc o r r e s p o n d i n g m a t h e m a t i cm o d e l sa r eb u i l t ，w h i c hw i l lb et h eb a s i so ff i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t s a st ot h ep r o b l e mo fu n e v e ns t r a i nd i s t r i b u t i o ni nr e c t a n g u l a rp i e z o e l e c t r i c c a n t i l e v e rv i b r a t o r s ，p i e z o e l e c t r i cc a n t i l e v e rv i b r a t o r sw i t hd i f f e r e n tg e o m e t r ya r e s t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tu n d e rt h es a m ec o n d i t i o n st r i a n g u l a rc a n t i l e v e rb e a m sc a n i m p r o v et h es t r a i nd i s t r i b u t i o n a n dg e n e r a t em o r ev o l t a g et h a nt r a p e z o i d a lo n e s ； r e c t a n g u l a ro n e sa r et h ew o r s t 3 f i n i t ee l e m e n tm o d e l sp i e z o e l e c t r i cc a n t i l e v e rb e a m sa r eb u i l ta n dt h e ns t a t i c a n dm o d ea n a l y s i sa r e p r e s e n t e db yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d s e f f e c t i n g r e l a t i o n s h i p sb e t w e e ng e o m e t r yp a r a m e t e r so fap i e z o e l e c t r i cc a n t i l e v e rb e a m sa n di t s e l e c t r i c i t yo u t p u ta sw e l la sr e s o n a n tf r e q u e n c i e sa r es t u d i e d t h ea n a l y s i sr e s u l t sa r e c o n s i s t e n tw i t ht h o s eo ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，w h i c hw i l lb eh e l p f u lt oo p t i m a ld e s i g n i n g o fp i e z o e l e c t r i cc a n t i l e v e rb e a m s 4 a ne x p e r i m e n ts e t u pi sd e s i g n e da n db u i l ta n dac o n v e r s i o na n ds t o r ec i r c u i ti s s t u d i e d d i f f e r e n t e x p e r i m e n t s0 nv i b r a t i o n p o w e r e db e h a v i o r so fp i e z o e l e c t r i c 第i i i 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 c a n t i l e v e rb e a m sa r es t u d i e di n d e t a i l e x p e r i m e n t a lr e s u l t sv a l i d a t et h ev a l i d i t yo f t h e o r e t i c a la n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i nc o n c lu s i o n s ，c o m b i n e dw i t ht h e o r e t i c a l ，f i n i t ee l e m e n ta n d e x p e r i m e n t a la n a l y s i s v i b r a t i o n p o w e r e db e h a v i o r so fp i e z o e l e c t r i cc a n t i l e v e rb e a m sa r ed e e p l ys t u d i e di nt h i s p a p e r t h er e s u l ts h o w st h a tt e n so fm i l l w a t tp o w e rc a nb eo b t a i n e db yo p t i m a l l y d e s i g n e dp i e z o e l e c t r i cc a n t i l e v e rv i b r a t o r s ，s oi ti sf e a s i b l et op o w e rw i r e l e s ss e n s o r si n t h ef u t u r e k e yw o r d s ： w i r e l e s ss e n s o r s v i b r a t i o n p o w e r e d p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c s p i e z o e l e c t r i cc a n t i l e v e rb e a m sf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s 第i v 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 表目录 表4 1 悬臂梁压电振子前4 阶固有频率3 5 表4 2 不同形状压电振子产生的最大变形、应变、电压表3 9 表5 1 矩形压电振子产生的电压4 6 表5 2 梯形压电振子产生的电压4 6 表5 3 三角形压电振子产生的电压4 6 表5 4 不同厚度比悬臂梁压电振子产生的电压4 7 表5 5 不同振动频率压电振子产生的电压4 8 表5 6 不同质量块压电振子的固有频率及产生的电压4 9 表5 7 悬臂梁压电振子连接电阻后的产生电压、电流、功率5 1 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图2 1 图2 2 图2 3 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图 目录 压电振子的实验装置3 基于压电陶瓷的振动能量捕获关键技术研究方案6 悬臂梁压电振子的结构示意图6 压电效应9 压电振子的振动模态1 3 悬臂梁压电振子的连接方式1 3 两种耦合模式1 5 欧拉贝努利梁示意图。1 6 悬臂梁压电振子前3 阶振型图1 7 悬臂梁压电振子示意图17 压电发电装置的等效模型1 8 悬臂梁压电振子的等效电路图1 9 悬臂梁压电振子的位移、电压、电流波形2 0 不同形状压电振子结构左视图2 4 不同形状压电振子结构俯视图2 4 不同形状悬臂梁压电振子沿长度方向表面的应变2 6 悬臂梁压电振子优化分析步骤2 8 悬臂梁压电振子的几何模型2 9 悬臂梁压电振子网格划分图2 9 的悬臂梁压电振子的有限元模型3 0 悬臂梁压电振子加载后示意图3 0 压电振子的应力分布云图3 1 压电振子的电压分布云图3 l 压电振子的应变分布云图3l 压电振子长度与其产生电压的关系3 l 压电振子宽度与其产生电压的关系3 2 不同材料的金属片对产生电压的影响3 2 不同材料的金属片对变形、应变、应力的影响3 3 陶瓷片与金属片长度比与产生电压的关系3 3 p z t 金属片的厚度比与产生电压的关系3 4 质量块对应力、电压的影响关系3 4 悬臂梁压电振子前4 阶振型图3 5 第v 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 l 图4 2 2 图4 2 3 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 l 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 压电振予的k 度与其一阶固有频率的天系3 6 压电振子宽度与其一阶固有频率的关系3 6 质量块对一阶固有频率的影响关系3 7 不同形状压电振子网格划分示意图3 7 三种形状压电振子的应变分布云图3 8 三种形状压电振子的电压分布云图3 9 三种形状压电振子的变形量、应变、电压3 9 实验台底座的结构示意图4 1 压电振子安装平台及安装后实物图4 2 悬臂梁压电振子振动实验台的实物图4 2 设计加工后的压电振子实物图4 3 转换与存储电路的原理图4 3 转换与存储电路的电路图4 4 转换与存储电路板实物图4 4 振动传感器布置图4 4 悬臂梁压电振子的测试系统4 5 悬臂梁压电振子产生的电压波形图4 5 实验台振动信号及功率谱分析4 6 不同形状压电振子产生电压的关系图4 7 不同厚度比与产生电压的关系图4 8 振动频率与压电振子产生电压的关系图4 9 质量块质量与悬臂梁压电振子一阶固有频率的关系5 0 质量块的大小对产生电压影响关系5 0 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：基王匡电陶瓷鲤握塑篮量搞蕴差鳇撞查班究 学位论文作者签名： 日期：弘田1 莎年1 月i 毋日 学位论文版权使用授权书 本人完金了解国防科学技术大学有关保留，使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅：可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题日：基王筐皇陶查煎拯麴篮量擅蘧差壤筮苤丑峦 学位论文作者签名：圣王塾整 日期：加忤嗍，o 日 作者指导教师签名：已2 丕l 亟 日期： p 分年，月c 。日 国防科学技术大学研究生院硕十学何论文 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 1 1 1 课题来源 本课题来源于部委级基础科研项目、装备预研基金项目和国家自然科学基金 项目( 5 0 8 0 5 1 4 2 ) 。 1 1 2 课题背景与意义 随着装备机电系统朝着大型化、自动化、智能化方向发展，其结构越来越复 杂，且工作环境通常比较恶劣，故障率和损耗率大大增加。维修保障能力的大小 直接关系到装备是否具有持续作战的能力，尤其是信息化战争对装备维修保障提 出了新的更高要求。当前大量采用的定期维修以及事后维修已经不能满足高强度、 快节奏的现代战争需求。从国外发展来看，以状态基维修( c b m - c o n d i t i o nb a s e d m a i n t e n a n c e ) 取代定期维修，已经成为装备维护体制发展的必然趋势，未来装备 的研制与使用维修过程越来越重视c b m 。c b m 是在通过机内测试或者外置检测 设备对装备状态进行实时评估的基础上实施的维修，它是在保证系统可用性的条 件下，仅当需要时才对装备进行维修，因而可以提高维修活动的有效性，节省维 修成本，降低全寿命周期费用。 为了实现状态基维修，其重要基础之一就是要能够实时获取装备的振动、温 度、润滑油质量等状态信息，以减少不必要的维修方案，有效预防灾难性事故的 发生。当前，监控系统一般采用导线或电缆进行供电及数据传输。由于设备的复 杂性和测点的多样性，这些线缆将增加整个系统的重量和费用，并降低了系统的 全局可靠性。而在一些特殊的场合中，例如，远程或高温条件下，采用导线连接 很不方便或不切实刚1 引。 如何在不用线缆的情况下对获取的装备状态参数进行有效传输已成为监控系 统的重要发展方向之一，无线传感器网络的兴起为此带来了契机。目前，无线传 感器网络已广泛应用于军事、工业及医疗等领域，而供电问题是制约其应用的瓶 颈问题之一【3 1 。当前，无线传感器网络广泛采用电池进行供电。但是电池寿命是有 限的，定期更换数以百计的电池其工作量和成本往往难以承受，而大量废弃的电 池也会给环境带来巨大的压力；同时在很多无线传感器网络中，传感器节点常被 安装在有毒、辐射等恶劣环境中，人为更换电池困难【l 4 】。为此，人们极其渴望研 究种新的能量源代替电池对无线传感器进行永久供电。 近些年来，能量捕获( e n e r g yh a r v e s t i n g ) 技术引起了国内外高度关注，成为 状态监控领域研究的一个前沿课题。作为一种新的理念，它将设备或周围环境中 第1 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 的其它能量转为电能，比如太阳能、风能、振动等。尽管目d ，j 这些能量捕扶技术 产生的电能低于化学电池，但随着集成电路制造、低耗c m o s 电路、超大规模集 成电路等发展，无线传感器的功耗可以降至数十毫瓦，这大大推动了能量捕获技 术用于无线传感器网络的可能瞄j 。 对于装备而言，工作时持续的机械振动就是很好的能量源；同时，压电陶瓷 具有良好的压电效应，它能将机械能为电f l 皂1 2 , 3 , 5 】。在上述背景下，本文针对无线传 感器供电问题，开展了基于压电陶瓷的振动能量捕获关键技术研究，这对提高提 高状态监控系统的可靠性和集成度，降低成本等具有重要的意义。 1 2 基于压电陶瓷的振动能量捕获技术国内外研究现状 振动能量捕获技术并不是一个很新的概念，诸如手摇无线发电、风力发电等 都是应用类似的理念，由于它的微发电量而没有引起大功率电器的兴趣【6 】。近年来 随着便携式、低功耗电子设备的广泛使用，重新激发了对振动能量捕获技术研究 的热情，其新颖之处是将其应用到超低功耗的嵌入式电子设备中。 1 ) 国外研究现状 1 9 9 6 年，荷兰的t l l a ds t a m e r 等利用压电陶瓷收集“开、合”笔记本电脑的能 量用以驱动笔记本电脑，开创了压电式振动能量捕获技术这一研究领域【7 j 。目前， 基于压电陶瓷的振动能量捕获技术及能量储存技术正处于开发探索阶段，世界各 国非常重视并开始开展了相关的研究工作，代表性的有美国的匹兹堡大学、伯克 利大学、麻省理工大学微系统技术实验室，英国的南安普顿大学、谢菲尔德大学、 卑家学院，法国的罩昂大学，香港中文大学先进微系统实验室等，一些厂商也参 与其中，其中f e r r os o l u t i o n s 、c o n t i n u u mc o n t r o l 、e m b e r 、e no c e a na p p l i c a t i o n s 、 m i l l e n n i a ln e t 、m i c r os t r a i n 和m i c r ot r e n ds y s t e m s 等在这个初生领域中走在前列 【8 1 4 o 美国麻省理工大学微系统技术实验室早在1 9 9 5 年就丌始探索将人身体各部分 的运动能转化为电能为微功率电器，如寻呼机、自供电应急接收器等供电。之后， 他们将压电装置以及微型控制电路嵌入到鞋里，并验证了将人走路的能量转化为 电能的可行性【1 5 】。自此以后，利用压电陶瓷的各种振动能量捕获装置为特定的供 电设备供电的研究日渐增多。 美军对振动能量捕获技术高度重视，资助了多家公司丌展相关技术研究。首 先，美国海军与f e r r os o l u t i o n s 公司签署了一系列的合同研究能量捕获器( f s e h ) ， 目的是为军舰和潜艇的新型无线监控系统供电。f e r r os o l u t i o n s 公司研究了两种方 法用于能量捕获，其中一种就是利用了压电材料，目前j 下在进行自调谐的捕获器 研究。该公司表示，f s e h 是一个独立的电源，利用振动产生电能，并用它来为无 第2 页 国防科学技术火学研究生院硕+ 学位论文 线收发器、传感器、微型马达和驱动器等供电。美国海军还资助了m i c r os t r a i n 公 司7 0 万美元用于振动能量捕获技术研究，目标是为舰载无线通信嘲络供电【l “。 法国里昂大学应用科学学院的l e f e u v r e 等主要从事利用压电材料将环境周围 的振动转换为电能为无线传输设备供电，并在压电式振动能量捕获的能量转换与 存储领域做了深入的研究川；针对常规的全波整流电路效率低的问题，他们提出了 同步电荷提取技术( s s h i ) ，即使电荷提取频率与压电振子振动频率保持同步，通过 在二极管整流器上连接一个控制电路，并对电压进行监控，当电压达到最大时， 进行电荷提取：当电压为零时，控制电路断开，停止电荷提取，这样可以减小压 电振予的逆压电阻尼效应，显著提高系统的能量捕获效率。测试结果表明，通过 使电荷提取与系统振动频率同步，与线性阻抗式转换器相比，电荷捕获量提高 4 0 0 u 7 1 。实验所用的装置如图l1 所示。 鬻 幽1l 墟电碾千的实验蛙置 c o n t i n u u mc o n t r o l 公司的i p o w e r 能量捕获装置，能够从机械振动、运动、冲 击中吸收能量并储存，进而为无线传感器网络和其他电子装置使用，这种工艺将 转换器和电路联合到一个机械系统中去，建立一种将机械动能星人限度转化为电 能的方案，特别是将微小的振动转化为可能的能量【i ”。 2 ) 国内研究现状 我国在该领域的研究和应用才刚刚起步，香港中文大学走在前列。2 0 0 4 年， 香港中文大学的w e n l i z h o u 等论证了基于p z t 的自供电传感器的可行性他们采 用的压电振子由p z t 、p t 、s i 0 2 、s i 组成，在端部粘贴质量块可以将压电振子的 固有频率从数十调节到几千赫兹，同时能量存储能力和加速度灵敏度也可以被评 估。卜海交通大学、吉林大学等院校也开展了相关的研究咖川。 到h 前为止，国内外已经设计了几种不同的压电发电装置，并针对某些结构 的发电装置申请了发明专利。初步试验结果表明，利用冲击和振动可实现机械能 向电能的转化，由此构造的压电发电机的输出功率能够满足某些电器的使用要求， 但实际中还有许多关键技术需要解决。 第3 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 1 3 基于压电陶瓷的振动能量捕获关键技术分析 基于压电陶瓷的振动能量捕获技术涉及材料、工艺、力学、电学、机械等领 域，目前，还有许多关键技术尚未解决。压电材料的参数及性能直接影响产生电 量的大小；压电陶瓷产生的是大电压小电流，且为交流电，一次振动产生的电能 不能满足无线传感器的功耗需求，须进行电能转换和存储；压电振子的结构参数 对产生电量的影响非常大；压电振子与设备共振时产生的电量最大，设备的振动 频率是在一定范围内变化的，须对压电振子的共振频率调整方法进行研究。综合 已有的文献来看，基于压电陶瓷的振动能量捕获关键技术主要包括新型压电材料 的研究与应用、压电振子优化设计、系统共振频率调整方法研究以及高效的转换 与存储电路设计等方刮2 2 彩j 。 1 ) 新型压电材料的研究与应用 压电材料对压电式振动能量捕获能力起着至关重要的作用，其性能参数直接 影响产生电量的大小。当前，压电材料分为以下几类：非铁电性压电晶体、铁电 性压电晶体、压电陶瓷、无机压电铁电薄膜、压电聚合物、压电复合材料。实际 应用最广泛的压电材料是压电陶瓷锆钛酸铅( 简称p z t ) ，由于p z t 变形小且容 易破裂，在高频周期振动下容易产生疲劳破裂，其应用受到一定限制。为了消除 压电陶瓷的弱点，提高效率，研究人员丌发了柔性更大的压电材料：聚偏氟乙烯 压电薄膜( 简称p v d f ) 1 2 6 l 。l e e 等通过实验验证发现，通过采用耐用的基体材料， 压电振子可以在更高频率的环境下运行1 27 。压电陶瓷光纤作为一种高科技的合成 物，可以提供越来越大的能量。c h u r c h i l l 等对植入在树脂中直径为2 5 0 u m ，单向 排列的p z t 光纤进行了研究，结果表明，直径较小的压电光纤可以从周期振动环 境中收集到更多的电量【2 8 , 2 9 1 。s o d a n o 等对长纤维聚合物( 简称m f c ) 和p z t 的能 量捕获效率和电荷存储能力进行了测试，结果表明，这两种压电材料的效率相同， m f c 产生电压较高、效率较低，由于m f c 的低电流输出，导致其对电池充电效 率很低【3 0 1 。 随着压电陶瓷制备技术及加工工艺的发展，各方面性能更优的压电材料将为 基于压电陶瓷的振动能量捕获技术提供更广阔的应用前景。 2 ) 压电振子的优化设计 压电振子产生的电量与其结构参数息息相关，不同的压电陶瓷片与金属片的 长度比和宽度比将使得输出电量不同；悬臂梁压电振子上应力分布很不均匀，在 根部所受应力很大，而端部很小，由于产生的电压与应变成j 下出引，因此，压电陶 瓷片的形状及粘贴位置对发电量的影响很大；不同设备的振动频带不尽相同，压 电振子与周围设备共振时产生的电量最大l lj ，外加质量块不仅可以有效的降低压电 第4 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 振子的吲有频率，而且通过选择合适的质量块可以将雎电振子调符至0 预设的固有 频率。为此，如何在特定的振动条件下，对压电振子进行结构优化设计，几何参 数及质量块的优化选择是关键技术之一。 3 ) 压电振子共振频率调整方法研究 当系统与周围环境发生共振时可以极大提高压电振子的振动幅值，显著增加 电荷输出量。根据是否需要外加动力，当前系统共振频率的调整方案主要有主动 自调整方法和被动自调整方法。在主动自调整方案设计方面，w i l l i a m s 等通过调 整施加在电极上的电压来调整压电振子的刚度，测试发现，尽管调整电路能够改 变振子的共振频率，但需要的能量远比系统增加的能量多【3 i l 。w u 等设计了另外一 种主动自调整式能量捕获装置，通过改变与压电振子连接的电容的容量大小进行 压电振子刚度的改变，实验中采用双压电层结构，上层压电振子用于向调整电路 供电，然后从下层压电振子上收集能量，测试表明，这种双晶片悬臂梁输出能量 增加3 0 p2 。被动式调整系统与主动调整系统相比，不需要外加动力来调整系统 共振频率，但结构更大且更复杂。s h a h r u z 等设计的被动式能量捕获装置是将多个 不同固有频率的悬臂梁连接在公共底座上组成，通过适当选择每个悬臂梁的长度 和末端质量，可以使装置在宽的频率范围内发生共振，但该方法需要一组悬臂梁 和一种更复杂的电路来进行能量捕获，这使得装置的尺寸和成本显著增加【3 3 1 。 r a s t e g a r 等研究了另一种被动式能量捕获系统，设计了一种两级能量捕获装置，第 一级系统将微小振动或晃动转换为势能，并将势能传递给固有频率很高的第二级 系统，然后从第二级系统上进行能量捕获。该方法的优势是能对频率很低的振动 系统进行能量捕获，且不用调整系统共振频率，但需要考虑能量传递时的摩擦等 多种因素【3 4 】。 4 ) 高效的转换与储存电路设计 除了通过改变压电振子机械结构来提高能量捕获效率外，采用高效电荷捕获 和存储电路也是提高能量捕获效率的一种必要措施。 由于压电振子在每个振动周期产生的能量很小，且输出为高电压低电流的交 流电。在实际应用中，为了提高整个系统的能量捕获效率，往往需要在整流电路 和存储介质之间加入不同类型的d c d c 降压增流电路，通过实验验证，降压增流 电路的加入往往可以使整个系统效率提高一倍以上；另一方面，采用“同步电荷提 取”技术，使电荷提取频率与压电振子振动频率同步，可以减小压电振子的逆压电 阻尼效应，显著提高系统的能量捕获效率【1 7 】。l e f e u v r e 等在二极管整流器上连接 一个控制电路，并对电压进行监控，当电压达到最大时，进行电荷提取；当电压 为零时，控制电路断开，停止电荷提取。测试结果表明，通过使电荷提取与系统 振动频率同步，与线性阻抗式转换器相比，电荷捕获量提高4 0 0 3 5 37 1 。g u y o m a r 第5 页 国防科学技术人学研究生院碗十学毹论文 等设计了种基于感应器的同步电荷提取电路( s s h i 电路) ，通过在电路中加入 感应传感器，并采用非线性处理来保证电荷提取与系统振动同步。其中电丌关在 最大振动位移处连通，将电荷传递到电池上：当压电片上的电压方向改变时，表 示所有的电荷已经移走，电开关断丌，停止电荷传递。测试表明，与只含有二极 管整流电路和电容的标准电路相比，s s h i 电路的效率提高了9 0 0 口”。n g 等将电 压监控电路与充电电容器相连，当电压满足需求时电容瞬时释放能量测试表明， 这种触发模式下的能量提取电路效率为4 6 蚶j 。 1 4 论文主要研究内容及结构安排 1 4 1 论文研究思路 由于基于压电陶瓷的振动能量捕获技术产生的发电量较小，为了提高发电量， 需对压电振子结构进行优化设计，并且提高转换与存储电路的转换效率和能量输 出控制。为此，本文主要针对基于压电陶瓷的振动能量捕获关键技术中的压电振 于的优化设汁、压电振子固有频率调节、不同形状压电振子发电能力和转换及存 储电路等方面进行研究，研究的总体方案如图1 2 所示。 ；。面；。一i 二+i 一 麓 十月m # m * r 自* 力究+ 冬 2 ，i 磊# t 镕“，“镕自i f 由于压电陶瓷硬且脆变形量小，通常将其粘贴在金属片上一起构成压电振子 1 5 , 2 1 】，质量块粘贴压电振子的自山端。本文以悬臂粱雎电振子结构为研究对象，这 是由于悬臂粱支撑方式具有柔顺系数较人和共振频率较低的优点，在低频小幅振 动环境中3 - l 模式被采用能产生更大的电量。悬臂粱压电振子的结构示意图如陶 l3 所示。这是一个双层的悬臂梁压电振子结构。 r 引n r 酗l3 悬臂粱压电振r 的结构示意图 莞6 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 1 4 2 论文研究内容及结构安排 本文的研究工作是从压电振子振动发电的机理分析入手，首先分析了基于压 电振子振动发电的原理，并建立了基于压电振子振动发电的数学模型；由于压电 振子的结构参数直接影响其发电量，须进行优化设计；由于矩形压电振子弯曲变 形时应变分布不均匀，使得没有充分利用，文中对不同形状压电振子发电能力进 行了研究；压电振子产生的是小量的瞬变交流电，不能直接对无线传感器供电须 进行能量转换和存储电路设计；最后搭建实验台对仿真优化设计及电路进行了实 验研究。根据以上的研究思路，具体开展了下述研究工作： ( 1 ) 以悬臂梁压电振子为研究对象，深入分析了压电效应和压电振子振动发 电的机理，建立了压电振子振动发电的数学模型。 ( 2 ) 以有限元仿真为基础对影响压电振子发电量的各因数进行了深入分析， 建立了压电振子的有限元模型，并进行了静力学和模态分析，研究了压电振子的 结构参数对产生电压的影响规律，以及粘贴质量块对调节压电振子固有频率的影 响规律。相关结论是实验研究中压电振子设计的依据。 ( 3 ) 开展了不同形状压电振子发电能力的研究，为了改善矩形压电振子应变 分布不均的问题，推导了不同形状悬臂梁压电振子应变表达式，并进行了有限元 仿真分析和实验验证。 ( 4 ) 深入研究了质量块对调节压电振子固有频率的影响规律。 ( 5 ) 进行转换与存储电路的设计，将压电振子产生的交流电进行转换并存储。 ( 6 ) 对悬臂梁压电振子振动发电行为进行研究，设计和搭建了振动实验台， 对压电振子的发电行为进行了研究，对上述仿真分析进行了验证。 根据论文的研究思路，各章节的内容安排如下： 第一章绪论部分，本章主要简要阐述课题来源、背景及意义，并详细综述基 于压电陶瓷的振动能量捕获技术的国内外研究现状。对其关键技术进行了深入的 分析，在此基础上，分析和提炼了本文所要解决的问题，并确定了具体的研究思 路和技术路线。 第二章压电效应与压电振子的基本理论，本章深入分析了压电效应的机理， 并对直接影响压电陶瓷性能的重要参数进行了介绍，接着分别介绍了四类压电方 程，最后对重要部件压电振子的振动模式及连接方式进行了介绍。 第三章悬臂梁压电振子振动发电的理论分析，本章以悬臂梁压电振子为研究 对象深入分析了压电振子振动发电的机理，建立压电振子振动发电的数学模型， 并对不同形状压电振子发电能力进行了研究。 第四章悬臂梁压电振子振动发电有限元建模与仿真分析，本章以有限元软件 a n s y s 为基础完成了对悬臂梁压电振子有限元建模与仿真分析，研究了影响产生 第7 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 电量的各个凶数以及质量块对凋肖压电振予崮有频率的影响规律，最后川仿真的 方法比较了不同形状压电振子产生电压大小。 第五章悬臂梁压电振子振动发电实验研究，本章设计和搭建了振动实验台， 测试了实验台振动情况，设计了转换与存储电路，并对有限元仿真分析进行了实 验验证。 第六章结束语，本章对本文的研究工作进行了总结和概括，并对下一步研究 工作进行了简单展望。 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 第二章压电效应与压电振子基本理论 压电陶瓷因具有独特的机电耦合特性，已成为一类不可替代的重要信息功能 材料。深入分析压电陶瓷的这种特性是合理、高效利用压电材料的基础；不同用 途的压电器件对压电材料的性能参数要求不尽相同，了解压电陶瓷的主要性能参 数有助