【正文】 況下，壓電元件的變形越大，其產(chǎn)生的電能也越大。若干個壓電柱相互黏合構成壓電筒，壓電筒在旋轉的振動環(huán)境下發(fā)生扭轉變形從而產(chǎn)生感應電荷。 Mateu 對比了矩形和三角形壓電懸臂梁振動能量收集器，結果表明，在三角形壓電懸臂梁的長度、厚度及其固定端寬度與矩形懸臂梁的長度、厚度和寬度都分別相等的情況下，受到相同載荷作用時三角形懸臂梁產(chǎn)生的應變更大，輸出的電能也更多。但是，由于需要事先給電極板加上一定的電壓，所以其必須有獨立電源的支持才能工作。為此，本文的研究主要圍繞壓電式振動能量收集器而展開。 英國的 Stephen Roberts 等于 20xx 年提出一種新型可調諧的電磁振動微發(fā)電機，并對尺寸進行了優(yōu)化設計來達到輸出電壓和功率的最大化。程光明等設計制作了數(shù)據(jù)采集軟件，可以對測試數(shù)據(jù)進行處理和顯示，為研究壓電陶瓷發(fā)電能力的影響提供了測試分析平臺。微機電系統(tǒng)主要包括兩個方面，微結構單元加工技術及微系統(tǒng)集成技術。近十 多年來，隨著壓電變壓器的設計、制作以及應用等方面的迅速發(fā)展，已成功應用于筆記本電腦中。若將能量捕獲裝置和狀態(tài)檢測設備集成，構成獨立自供電、自感應單元，實現(xiàn)結構健康監(jiān)控，將進一步推動能量捕獲方法從實驗室向實用發(fā)展。 能量收集電路與能量轉換效率 由于壓電振動能量收集器本身輸出的電能有限，因而在對壓電發(fā)電機進行理論建模和仿真分析的同時，一些研究人員也對如何提高其機械能 電能的轉換效率進行了研究。 以上文獻中大部分都將振動源等效成一個單一的簡諧信號，而且為了得到最大的電能輸出功率，要求整個能量收集器工作于其固有振動模式下。 Cho 對比分析了懸臂梁型、堆棧型和薄膜型的壓電能量收集器，結果發(fā)現(xiàn)，能量轉換效率主要由壓電材料的品質因數(shù)和機電耦合系數(shù)決定。由于壓電振動能量收集器經(jīng)過 ACDC 之后能直接輸出直流電壓，因此對以 ACDC 負載電路為基礎的能量收集電路的研究較為廣泛。 SSD 非線性技術首先由 Richard 提出來，他指出，為了提高壓電設備的能量傳輸效率，一般都在傳輸電路上添加一個電感來調節(jié)負載電路的阻抗從而實現(xiàn)輸入輸出的阻抗匹配，但是這種匹配電路在頻率較低時無法發(fā)揮作用。因此， Shu 在 20xx 年首次提出了關于在非共振條件下的 SSHI 電路的討論。理想串聯(lián) SSHI 系統(tǒng)的電能輸出特性與開路共振頻率下的強耦合 ACDC 電能收集系統(tǒng)的電能特性基本上相同的，而理想并聯(lián) SSHI 系統(tǒng)的輸出電能與工作在短路共振頻率下的強耦合 ACDC 電能收集系統(tǒng)的電能特性類似。 圖 串聯(lián)和并聯(lián) SSHI 能量收集電路 第 10 頁 共 23 頁 2 壓電發(fā)電技術機理研究 壓電能量轉換基本理論 壓電效應 壓電發(fā)電技術是以壓電材料特有的壓電效應來實現(xiàn)的，壓電效應反映了一些晶體材 料的彈性性能與介電性能之間的機電耦合過程。與正壓電 效應對應的是逆壓電效應，它是指將某些晶體材料置于外電場中，電場使晶體內(nèi)部正負電荷中心發(fā)生相對位移，導致形變，從而由 “電 ”產(chǎn)生 “機械形變 ”的現(xiàn)象，如 圖 (b)所示。后者主要包括鈦酸鋇 (BaTiO3)和鋯鈦酸鉛 (PbZrTiO3， PZT)，相對 BaTiO3 而言， PZT 具有壓電常數(shù)大、機械強度高、機械剛度大、靈敏度高、介電常數(shù)大、制作工藝成熟，可通過合理配方和摻雜等人工控制來達到所要求的性能，而且成型工藝性好以及成本低廉等優(yōu)點，目前在制動器和傳感器中被廣泛應用。所謂機械自由是指壓電材料可以自由變形，此時的應力 T 為零或常數(shù)；機械夾持是指壓電材料不能自由變形，此時的應變 S 為零或常數(shù)。 根據(jù)下表所述的四類邊界條件，選擇不同的自變量和因變量從而得到四類壓電方程，它們反映了壓電材 料中的力學量 (T , S )與電學量 (E , D )之間的相互關系。 當壓電材料處于第一類邊界條件時，選擇應力 T 和電場強度 E 為自變量，應變 S 和電位移 D 為因變量，得到相應的第一類壓電方程為： TsdES dTEεD ET?? ?? (） 也可以表示為： ε EdσDdEσY1ε???? （ ） 式 中： ? 為應變， ? 為應力， d 為壓電介質的壓電應變常數(shù)矩陣， D 為電位移， E為電場強度， Y 為彈性模量。其定義為： 每周期消耗的能量每周期儲存的能量2πQ ? （ ） 在電廠作用下，壓電材料會發(fā)生形變，而討論電量與形變之間的比值，即為壓電應變常數(shù)。 材料與結構的優(yōu)化選擇 由于壓電陶瓷材料非常脆，極易斷裂，因而一般需要一種韌性較好的材料作為支撐才能穩(wěn)定工作。另一方面，在長度和寬度一定的條件下，壓電層與中間支撐層的厚度之比對壓電懸臂梁的電能輸出影響也較大，而且不同壓電層之間的連接方式以及不同壓電材料和負載電阻也會對壓電懸臂梁的電能輸出產(chǎn)生影響。 第 13 頁 共 23 頁 3 壓電振動能量收集器等效電路設計 壓電發(fā)電裝置的電學等效模型 從電學角度來看壓電陶瓷可以簡化為一個正弦電流源 ip(t)，與內(nèi)在的電極電容 Cp 并聯(lián)，如圖 所示。這些波形可以分為兩個階段，階段 1，用U 表示，極化電流流進壓電元器件的極間電容。 壓電陶瓷產(chǎn)生的電荷是瞬間和交替的，是以不規(guī)則的隨機突發(fā)形式提供能量，因此必須在一個電容中積累足夠的能量，而且在電能提取 過程中具有阻尼效應（當振動能傳遞到壓電材料時，由于壓電效應而轉化為電能，在材料內(nèi)部產(chǎn)生交流電壓，而當材料內(nèi)部電阻太大（相當于短路）或電阻太?。ㄏ喈斢诙搪罚r，產(chǎn)生的電能未消，會再次轉化為振動能即產(chǎn)生阻礙壓電材料進一步變形的反作用力）。 圖 模型電路輸出電壓和電流波形 圖 壓電電源簡化圖 圖 壓電電源簡化圖 當外力作用于壓電振子時，在其極面上產(chǎn)生電壓，向電容 C0 充電， C0 儲能后向外接電路供電。 和 錯誤 !未找到引用源。 圖 壓電振動能量收集器的等效電路模型 圖 3 描述了考慮前 n 階振動模態(tài)時壓電振動能量收集器的等效電路模型。仿真過程中，以電壓源的頻率為掃描參數(shù)，仿真時間設為 ，這樣通過改變負載電阻 的大小就可得到不同負載電阻時壓電懸臂梁的輸出電壓和功率與激勵頻率之間的關系。然而，與RAC 負載電路條件下的多模態(tài)電壓和功率響應不同的是，前者是從諧響應分析的角度對壓電懸臂梁的電能輸出特性進行了頻率掃描分析，因而沒有考慮相位信息，而后者是從時域的角度進行分析，同時 考慮到了頻率和相位的信息。 可得 LC 振蕩電路的周期為 *T =，于是開關電路的導通時間為 *2T =。 錯誤 !未找到引用源。 因此，在設計 SSHI 負載電路時，一方面要盡量避免使用較小的電感值，因為 LC 振蕩電路的周期越小越難保證其精度；另一方 第 17 頁 共 23 頁 面，盡量選用數(shù)值較大的電感，但是大電感往往損耗都比較大，這就要求在設計時必須權衡二者之間的關系，以期達到壓電懸臂梁的最大能量轉換效率。基于壓電效應的壓電材料具有輸出電壓高、能量密度大、結構簡單等特點，人們利用周圍環(huán)境的振動能并將其轉化為電能收集起來，為無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點和可佩帶器件供電，這種能量收集技術代替了傳統(tǒng)的依靠電池供電對環(huán)境造成的污染和浪費，有效利用了廣泛存在但被浪費了的振動能，使得能源得到了循環(huán)利用，是 一種經(jīng)濟、綠色、環(huán)保的節(jié)能方式。 （ 3） 完成壓電振動能量收集電路的設計并在面包板搭建完成，分析了壓電懸臂梁產(chǎn)生的開路電壓、總的電能以及負載功率的問題，并在此基礎對器件進行工藝設計。 （ 2） 本文僅從仿真方面證明了 SSHI 電路對提高壓電振動能量收集器能量轉換效率方面的功效，后續(xù)研究中可考慮從實驗方面對此電路加以證明。同時也要證明，功率調節(jié)電路對無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的工作起到極其關鍵的作用，通過合理的功率調節(jié)電路，以轉換環(huán)境振動能量成電能的壓電振動能量收集器為電源的自供電式無線溫度傳感器網(wǎng)絡是完全能夠實現(xiàn)的。在學習生活中，導師不僅在學習中處處嚴格要求，而且在生活中 也時時言傳身教，這段時間是我最忙碌最充實的階段，從導師令人欽佩的人格魅力中學到了很多，也成長了很多，在此向王老師致以崇高的敬意和衷心的感謝。 第 20 頁 共 23 頁 參考文獻 [1] Romer K. 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