半电极含金属芯压电纤维能量收集研究与优化设计

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1、中国科学技术大学硕士学位论又UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationformaster’Sdegree中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。作者签名：j啦签字日期：二监避L吐中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权

2、中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等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。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。动，从开口保密(——年)作者签名：鎏筮签字日期：塑丛(!：生导师签名：立兰垫：!、f乜签字日期：2翌f竖!鱼：笠摘要现代社会计算机互联网技术与无线传感器网络技术快速发展，各种无线设备的广泛应用，使

3、得为无线设备提供稳定安全的能源成为科学家们研究的热点。如今市场上无限设备的电源器件主要是化学电池。但是化学电池一般含有强酸或强碱溶液，还含有重金属元素，使用回收不当将会污染环境。这些缺陷使化学电池在未来的应用受到限制。故而在某些领域，以压电效应原理为理论基础的压电能量收集装置将取代化学电池，逐渐成为研究重点。压电能量收集装置的核心部件是装置内部的压电结构。目前最常用压电结构是压电悬臂梁晶体片结构。但是随着压电能量收集装置的广泛使用，已存在的一些悬臂梁晶体片结构不能满足压电能量收集装置在各种场合的使用。因而各种特殊高效的压电结构

4、被设计分析。故本文主要根据压电振动收集原理，分析研究一种半电极含金属芯的压电纤维结构，分析该纤维结构的能量转化效率并对纤维结构加以优化设计。半电极含金属芯压电纤维是一种圆柱形结构的压电纤维。纤维中心是圆柱形金属芯，金属芯外层包裹着等厚度的压电材料，再在压电材料外层一半的表面上镀上一层薄金属膜。半电极含金属芯压电纤维作为悬臂梁结构使用时，其轴向长度远远大于纤维半径。本文中通过施加作用力于纤维一端，分析纤维的弯曲振动。根据纤维结构求出纤维的能量转换效率的方程。文中通过改变纤维能量转化效率方程参数(内径比、柔度比和耦合系数)，分析出

5、纤维能量转换效率跟随各个参数的变化趋势，求出可以得到最高的能量转化效率的纤维参数。本文采用能量分析的方法建立了半电极含金属芯压电纤维在末端作用力下的能量转换模型，针对金属芯半径为常数和纤维半径为常数两种情况优化设计了变截面的压电纤维，并与常截面压电纤维的能量转换性能进行了比较。仿真并对比得出最优化分析。关键词：能量收集装置；压电效应；悬臂梁；半电极含金属芯压电纤维摘要IIAbstractABSTRACTWiththerapiddevelopmentoftheInteracttechnologyandthedevelopment

6、ofwirelesssensornetworktechnology，awidevarietyofapplicationsofwirelessterminaldevicesareused．Thewayofprovidingstableandsecureenergyforthesewirelessterminaldeviceshasattractedalotofscientists’attention。Inthemarket，themainpowersupplyequipmentisthechemicalbattery．Butth

7、echemicalbatterygenerallycontainssomestrongacidoralkalisolution．nlereareheavymetalsinthebattery．Withoutproperlyrecycle，thebatterywillpollutetheenvironment．Therefore．piezoelectricenergyharvestingdevicewillreplacethechemicalbatteryinsomeareas．111estudyonpiezoelectrice

8、nergyharvestingdevicegraduallybecomesaresearchfocus．ThecentralpartofthepiezoelectricenergyharvestingdeviceiSapiezoelectricstructure．Themos