基于压电结构的振动能量采集研究

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1、南京航空航天大学硕士学位论文基于压电结构的振动能量采集研究姓名：朱文艳申请学位级别：硕士专业：测试计量技术及仪器指导教师：沈星2011-03南京航空航天大学硕士学位论文摘要近年来随着科技的迅速发展，已存在多种可将环境中的各种能量转换成电能的能量采集技术。振动能在环境中无处不在，采集周围的振动能量，并将其转换为可利用的电能已经成为目前的工程研究领域中的一个热点。由于压电材料的各种优点，基于压电材料的能量采集技术具有很好的发展前景。本文首先通过学习压电效应及压电方程，得到了基于正压电效应的压电能量采集的理论基础，并分析了压电悬臂结

2、构的理论特性，再通过ANSYS仿真分析了悬臂式压电振子的结构尺寸、材料性能以及厚度比等因素对其发电性能的影响规律，以得到合适的压电结构尺寸。文中以提高能量采集效率为目的设计了改进型能量采集电路，并使用ORCAD/PSPICE电路仿真软件分别对经典能量采集电路和改进型能量采集电路进行仿真，分析不同电路的能量采集效率。通过比较发现，较经典电路而言，文中设计的改进型能量采集电路的输出功率得到很大的提高。本文最后结合ANSYS仿真分析结果，利用压电材料、基板材料设计制作了双晶片压电振子。根据改进型能量采集电路原理图设计制作了PCB板，

3、搭建实验平台，分别对经典电路和改进型能量采集电路进行实验，比较两种电路的采集效率，最后得出的实验结果与仿真结果基本吻合，且改进型能量采集电路的效率高于经典电路。关键词：能量采集，振动，压电结构，有限元分析，电路设计（本文得到了国家自然科学基金的资助，资助号：50911140286、50802043）I基于压电结构的振动能量采集研究ABSTRACTInrecentyears,withthegreatdevelopmentofscienceandtechnology,therehavekindsofenergyacquisitio

4、nsthatcanchangeotherkindsofenergyintheenvironmentintoenergy.Vibrationenergycanbefoundeverywhere,collectingthevibrationenergyaroundandchangingitintoavailableenergyhasbecomeahotresearchaboutavarietyofportablepowergenerationdeviceswillbecomeanewhotspotinthefieldofengin

5、eeringresearch.Astheadvantagesofpiezoelectricmaterials,theenergyacquisitionsbasedonthepiezoelectricmaterialshavegreatprospect.Inthispaper,wecanobtainpiezoelectricenergyharvestingtheoreticalbasedonthepiezoelectriceffectbystudyingthepiezoelectriceffectandthepiezoelect

6、ricequations,andstudythetheoreticalpropertiesaboutthepiezoelectriccantileverstructure,thenuseANSYStoanalysistheinfluencethatthestructuresizeofthepiezoelectricvibrator,materialproperties,thicknessratioandotherfactorsaffectonpowerperformanceofpiezoelectriccantileverst

7、ructuretogettherightsizeofthepiezoelectricstructure.Forthepurposeofimprovingtheefficiencyofenergyacquisition,aimprovedenergycollectioncircuitisdesignedinthispaper,anddothesimulationabouttheclassicalenergyacquisitioncircuitandthedesignedenergycollectioncircuitwiththe

8、ORCAD/PSPICEtogettheenergycollectionefficiencyofdifferentcircuit.Comparedwiththeclassicalcircuit,theoutputpowerofthedesignedcircuitbecomes