压电式低频环境振动能量采集装置的研究

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1、太原理工大学硕士研究生学位论文压电式低频环境振动能量采集装置的研究摘要随着人们对环境问题的关注以及对新能源的渴望，新型环保的能量采集技术成为国内外研究学者探究的热点；同时随着对半导体元件的集成化与MEMS技术研究的不断深入，将振动机械能通过采集技术转化为电能并为微机电系统供电成为可能。但是由于自然环境与人类生活中的振动能量具有频率低，频带宽的特点，传统的振动能量采集技术在此环境中俘能效率低下。针对此问题，本文基于压电效应，提出一种冲击式振动发电装置，通过理论公式推导及MATLAB仿真分析，从力的角度以提高装置的发电性能

2、；同时鉴于变刚度结构可以增大压电振子在微弱信号下的响应振幅，提出一种变刚度升频振动发电系统，以拓宽能量采集频率并提高能量采集效率。论文的主要研究内容及结论如下：1）根据机械振动理论与碰撞理论，设计一种低频压电冲击式振动发电装置，建立首次碰撞计算模型。基于此，理论推导了拾振机构的输出电压与功率解析表达式，并利用MATLAB进行拾振机构的结构优化，得到相应的结构参数。根据优化的结构参数，利用AMESim仿真平台建立此发电装置的仿真模型，并以激振频率、振子质量、压电片片数为影响因素对发电装置进行性能分析。2）设计变刚度升频压

3、电式振动发电装置，并基于此建立机构的运动微分方程，采用AMESim仿真平台对所建立的机构模型进行仿真模拟。确定I太原理工大学硕士研究生学位论文变刚度弹簧刚度曲线及相应仿真参数，对采用不同刚度曲线下变刚度弹簧的发电装置进行分析。对线性系统、定刚度升频系统、变刚度升频系统的发电功率进行比较分析，证明了变刚度升频系统与其它两种传统发电装置相比，在低频振动环境中更具优势，既能拓宽响应频带，又能提高发电功率。本文为了提高低频振动能量俘获能力，从力的角度设计了一种低频压电冲击式振动发电装置，此发电装置在结构最优的情况下，峰值发电功

4、率可达4.4μW，10s内可俘获68.25mJ电能；同时鉴于一种升频压电装置，提出了变刚度升频系统，相对于定刚度升频系统，变刚度升频振动发电机响应频带拓宽15%，发电功率峰值可达7mW。关键词：振动能量采集装置，低频，压电式，AMESimII太原理工大学硕士研究生学位论文STUDYONPIEZOELECTRICGENERATORSFORLOW-FREQUENCYVIBRATIONHARVESTINGABSTRACTAspeoplepaymoreattentiontoenvironmentalproblemsandthe

5、newenergyresource,eco-friendlyenergyharvestingtechnologyhasbecomingmoreandmorepopular;meanwhile,withthedevelopmentofintegrationforsemiconductordevicesaswellastheprogressofMEMStechnology,itispossibletoconvertthevibrationalenergyintoelectricalenergywhichisthepower

6、supplyformicroelectromechanicalsystem.Butbecausethefrequencyofvibrationenergyinthenaturalenvironmentandhumanlifeislow,andthebandwidthiswide,thetraditionaltechnologyofpiezoelectricvibrationenergyharvestingisinefficient.Becauseofthis,thispaperisbasedonthepiezoelec

7、triceffect,presentsavibrationgeneratorwithimpactload,deducesthetheoreticalformulaandsimulatesthisdeviceviaMATLAB;thispaperalsopresentsapiezoelectricfrequencyincreasedstructurewithvariablestiffness,becausethisstructureisabletoamplifytheamplitudeofthepiezoelectric

8、ceramic,andthentogainmaximumpoweroutput.Inthispaper,themainresearchcontentsandconclusionsareasfollows:1)Accordingtothemechanicalvibrationtheoryandcollisiontheory,thet