【摘要】：隨著電子科學和材料科學技術的進步,以壓電材料為能量轉換核心的壓電器件不斷向集成化、微型化、智能化、輕質化和低功耗的方向快速發展,并出現了一些列新型壓電器件,如壓電能量采集器、壓電超聲波驅動器、壓電振動傳感器等。這些新型壓電器件廣泛應用于無線傳感網絡、便攜式電子設備和精密驅動與控制系統中。 目前,在無線傳感網和便攜式智能設備等低功率微型電子產品中,傳統的電化學電池日益突顯出壽命短、污染環境和頻繁定期更換電池等缺點,因此,研究可持續且無污染的新型能源代替電化學電池為微型電子產品供電已成為當前迫切需要解決的瓶頸問題。基于正壓電效應的新型壓電器件——壓電能量采集器是解決該問題的有效方法之一,它因具有無電磁干擾、環保、高能量密度和體積小等優點吸引了廣大學者的研究興趣,并圍繞結構設計、振動模式和能量采集電路等方面展開研究,但從未涉及到能量采集電路與壓電晶體之間的阻抗匹配問題,從而損耗掉大量的能量,致使能量轉換率較低。此外,基于逆壓電效應實現驅動功能的壓電器件——壓電超聲波電機由于具有精密定位和良好的控制性能,在很多領域已經取代了傳統的電磁型電機。但這種新型壓器件的輸出功率比較低,一般不超過50%,大部分能量都以熱量的形式損耗掉了,造成能源的極大浪費。因此,如何有效地提高壓電器件的輸出功率和減少能量損耗已經是亟待解決的關鍵技術問題。 論文以壓電能量采集器和壓電超聲波電機這兩種新型壓電器件為研究對象。針對壓電能量采集器,設計了典型的壓電能量采集器結構,綜合考慮結構因素和力電耦合因素,利用ADPL命令流對壓電能量采集器進行了研究分析,并實現了輸出功率的優化,為能量采集電路提供了阻抗依據。同時,針對上述能量采集器諧振頻率單一、窄工作頻帶等缺陷,提出了一種帶有彈性放大器的寬頻壓電振動能量采集器,建立了這種能量采集器的有限元機電耦合分析模型,分析了結構參數對能量采集器輸出性能的影響規律,研制能量采集器物理樣機,搭建了相關實驗系統,并進行了詳細的實驗研究。針對壓電超聲波電機,結合能量采集器的原理,改變了超聲波電機環形壓電晶體的劃分模式,設計了集驅動和能量采集功能為一體的能量回饋型超聲波電機,建立了超聲波電機定子機電耦合有限元模型,分析了定子結構參數對器件振動特性以及電輸出特性的影響。 論文的主要研究內容如下： 第一章介紹了論文的研究背景及意義,闡述了壓電器件的分類及應用,詳細綜述了基于正壓電效應的壓電振動能量采集器和基于逆壓電效應的壓電超聲波電機等壓電器件的國內外現狀,還指出了研究中所存在的問題及不足。 第二章主要介紹了與論文研究工作有關的基礎理論知識,包括壓電陶瓷、壓電效應、壓電方程和振動理論等。結合基礎理論知識,給出了懸臂梁壓電振動能量采集器模型和環形夾心壓電振子模型,基于Euler-Bernoulli梁理論建立了相應的彎曲自由振動微分方程,得到了相應的振型函數、頻率方程及振動模態。 第三章研究了單頻懸臂梁壓電振動能量采集器的結構設計和工作原理,詳細介紹了基于ADPL的機電耦合模型建模步驟,仿真分析了能量采集器負載電阻等對振動特性與電輸出特性的影響規律,并對能量采集器的輸出功率進行了優化分析與設計,得到了系統最優匹配電阻。最后,研究分析了壓電陶瓷電極連接(串聯或并聯)形式對懸臂梁能量采集器輸出性能的影響。 第四章重點研究了寬頻振動能量采集器的設計和力電輸出特性。提出了一種帶有彈簧放大器的寬頻壓電振動能量采集器,綜合考慮懸臂梁與電路、懸臂梁與彈簧系統之間的耦合關系,利用ADPL命令流建立了寬頻壓電能量采集器的機電耦合模型,仿真分析了系統質量比、剛度比、阻尼比和負載電阻對能量采集器力電輸出特性的影響,并對能量采集器的功率優化和阻抗匹配問題進行了詳細分析與研究。 第五章研究了一種基于逆壓電效應的新型壓電器件——能量回饋型超聲波電機,該電機集精密驅動與能量采集功能于一體。詳細介紹了能量回饋型超聲波電機環形夾心壓電振子的結構設計思路,基于有限元法建立了機電耦合模型并進行了仿真分析,得到了壓電振子的振動特性和電輸出特性變化曲線。最后,研究了不同轉換電路拓撲結構對壓電振子的振動特性以及能量轉換特性的影響。 第六章研制了單頻懸臂梁能量采集器和寬頻振動能量采集器的樣機模型,搭建了能量采集器的實驗平臺,詳細介紹了實驗系統的操作過程。最后,通過實驗結果與有限元模型結果的比較與分析,驗證了有限元仿真分析結果的正確性。
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【學位授予單位】：浙江工商大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN384

【參考文獻】

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本文編號：2378265