【正文】 和實驗分析了鐃鈸型和柱筒扭轉(zhuǎn)型壓電振動能量收集器。懸臂梁結(jié)構(gòu)是最常用的壓電式振動能量收集器結(jié)構(gòu)，也是最簡單的一種結(jié)構(gòu)。如果事先給電容器極板上加上了恒定的電壓，那么當可動極板在環(huán)境振動的帶動下發(fā)生往復(fù)運動時，電容器的容量將發(fā)生變化，則根據(jù) Q CU? 可得電極板上的電荷將向外流動形成電流，從而將外部的振動能量轉(zhuǎn)換成電能輸出。因此，為了發(fā)揮溫差發(fā)電機的最佳性能，還應(yīng)從高性能熱電材料、最佳匹配工作條件以及數(shù)值仿真模擬與實驗等方面進行深入研究。 用于溫差發(fā)電的熱電材料主要以半導體材料為主，如 Bi2Te PbTe2SnTe和 SiGe 與 MnTe等 [13]。當高頻聲波信號遇到鈮酸鋰時，這種材料的特殊功能使其能夠在高溫條件下將聲能轉(zhuǎn)化為電能。而且，太陽能收集技術(shù)的電能輸出與光照大小有很大的關(guān)系。太陽能光伏收集的能量資源來自太陽，太陽能是一種取之不盡，用之不竭的巨型可再生 能源。從 錯誤 !未找到引用源。目前，在工業(yè)環(huán)境中存在的可利用的潛在能源包括：太陽能 (光能 )、風能、熱能、聲能、電磁場能和機械 振動能等，如 圖 0 所示 [2]。盡 管隨著電池技術(shù)的 逐漸 發(fā)展， 開發(fā)者 可以通過增大電池容量來延長 電池的使用 年限， 可 是當前電池增容技術(shù)的發(fā)展 速度還是 遠遠落后于無線電子器件。 19 參考文獻 題 目 基于壓電材料的振動能量 收集技術(shù)研究 基于壓電材料的振動能量 收集技術(shù)研究 [摘要 ]伴隨 著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和可攜帶器件的發(fā)展，電池 續(xù)航 供能成為其發(fā)展的瓶頸之一。 2 振動能量收集方法 10 壓電能量轉(zhuǎn)換基本理論 13 振動能量收集器等效電路模型的提出 18 致謝 因為電池壽命的限制 ， 在 使用時會遇到一系列的問題， 而且 在某些場合下更換電池是一項成本很高甚至于不可能完成的工作。如何收集和存儲這些潛在的能量并將其合理地應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等電子設(shè)備中是近些年來眾多科研人員研究的重點問題之一。 中可以看出，表格的上半部分表示單獨通過能量收集而 形成的電源，因而這部分的功率密度與使用壽命無關(guān)。太陽能在地球上分布很廣，只要有光照的場所和地理位置適合的地區(qū)，就可使用太陽能發(fā)電系統(tǒng)來發(fā)電。從 中可以看出，在戶外太陽直射和陰天的條件下太陽能轉(zhuǎn)換成電能的功率輸 出密度相差 100 倍。 基于此轉(zhuǎn)換 原理，英國科學家設(shè)計制造 出了 鼓膜式聲波接收器，他將能聚集聲能的共鳴器 和 接收器連接 起來 ，來自共鳴器的聲能作用于聲能轉(zhuǎn) 換器時， 即 可 以 發(fā)電。利用這些熱電材料制成的溫差發(fā)電設(shè)備具有體積小、重量輕、無振動、運行無噪音、工作壽命長和在極端惡劣環(huán)境下可長時間工作的優(yōu)點，非常適合于各種無人監(jiān)視的傳感器、衛(wèi)星電源、燈塔和導航標識以及醫(yī)學和生理學研究領(lǐng)域。 圖 溫 差發(fā)電機原理 振動能量收集方法 機械振動普遍存在于人們的日常生活和工業(yè)環(huán)境中，例如手機、裝配車間、機床、火車、空調(diào)等。 2） 電磁 (電感 )式 電磁式振動能量收集器也稱為電感式振動能量收集器，其轉(zhuǎn)換原理與法拉第發(fā)電機的電磁感應(yīng)原理相同。在這種結(jié)構(gòu)中，壓電元件黏貼于懸臂梁表面，周圍環(huán)境的機械振動使懸臂梁發(fā)生彎曲變形而帶動壓電元件發(fā)生形變，從而將振動能量轉(zhuǎn)化成電能；鐃鈸結(jié)構(gòu)的壓電振動能量收集器主要由壓電片和兩個金屬帽黏合而成，當鐃鈸豎直方向受力時，金屬帽會將豎直方向力的一部分轉(zhuǎn)變成水平分力并傳遞給壓電片，壓電片在受到拉伸作用后發(fā) 生形變，從而產(chǎn)生感應(yīng)電壓；柱筒式壓電振動能量收集器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，如 圖 0.(c)所示。 對比上述靜電式、電磁式和壓電式振動能量收集器可以發(fā)現(xiàn)，靜電式振動能量收集器可以通過硅微加工技術(shù)制造，并進行批量生產(chǎn)，因而這種能量收集方式有利于與其它 IC 工藝兼容。 圖 壓電式振動能量收集器的三種常用結(jié)構(gòu) 壓電振動能量收集技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 壓電材料既有正壓電效應(yīng)，可作為傳感元件，又有逆壓電效應(yīng)，可作為驅(qū)動元件，因此在電子、航空航天、機械制造、生物工程和機器人等技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。 1) 向微能源器件 發(fā)展 第 7 頁 共 23 頁 微能源器件是微機電系統(tǒng)的一個重要分支，而微機電系統(tǒng)（ MEMS）則是二十一世紀的研究領(lǐng)域之一。 3) 實現(xiàn)設(shè)備自供電 便攜式和無線式電子市場日趨壯大成熟，其中能量捕獲是其實現(xiàn)自供電的關(guān)鍵，未來的能量捕獲技術(shù)將會以能量的捕獲、存儲以及應(yīng)用電路為主要研究方向，解決無線傳感網(wǎng)絡(luò)、嵌入式傳感器等供電問題。由于 RAC 型能量收轉(zhuǎn)換類型 優(yōu)點 缺點 能量密度(mJ/cm3) 靜電式 電壓輸出高 較好的 MEMS 兼容性 結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜 需要啟動電源 4 電磁式 技術(shù)成熟 無需啟動電源 結(jié)構(gòu)較為簡單 難以由 MEMS 技術(shù)實現(xiàn) 體積大 輸出電壓低 壓電式 易 于由 MEMS 技術(shù)實現(xiàn) 輸出能量密度大 結(jié)構(gòu)簡單，無需啟動電源，無電磁干擾 單個壓電發(fā)電機輸出電能有限 轉(zhuǎn)換效率較低 阻抗大，難于實現(xiàn)與負載的阻抗匹配 第 8 頁 共 23 頁 集電路最為簡單，因而對壓電振動能量收集器的最初研究都以此電路為主。 圖 兩種能量收集電路 ACDC 型能量收集電路由整流器、濾波電容和負載電阻組成，如 (b)所示。然而，該團隊在分析中假設(shè)壓電發(fā)電機的位移和輸出電壓是同相位的，這就導致其理論模型只適合于共振條件下的分析，而實際應(yīng)用時，壓電振動能量收集器并非總是工作于共振條件下。在 Shu 研究的基礎(chǔ)上，雖然其他研究者也對 SSHI能量收集電路進行了更為詳細的補充和完善，但是大部分研究都只停留在理論分析層面上，涉及到仿真或?qū)嶒灥难芯枯^少。前者的代表是石英晶體，它的突出特點是性能穩(wěn)定、機械強度高，而且絕緣性能好，但是它的壓電系數(shù)較小，且價格較貴，一般僅用在標準儀器的制作中。將兩種機械邊界條件和兩種電學邊界條件進行組合，可以得到壓電材料的四類不同邊界條件，如表 所示。 Q 機械品質(zhì)因數(shù)表征壓電體諧振時克服內(nèi)摩擦而消耗的能量，時考察機械損耗的一個重要參量，對于能量轉(zhuǎn)換器而言，機械品品質(zhì)因數(shù)越高，機械損耗越小 越好，這樣能把更多的機械能轉(zhuǎn)換成電能。銅和鋁都是良好的電導體，但是它們的強度和硬度都較差，在振動過程中容易引起疲勞破壞。 圖 壓電陶瓷與外界電路并聯(lián)的等效電路模型 電路相關(guān)的電壓和電流波形圖如圖 所示。壓電陶瓷在外力作用下產(chǎn)生電壓高壓 U后，電荷流向電容 C，相當于電極電容 Cp 放電，電容 C 充電， 電壓 U 下降，電壓 U0 上升，所以 U 和 U0 是充電時間的函數(shù) 。其中 ，每一個并聯(lián)支路代表每一階振動模態(tài)。其中添加電容值為 1nF 的電容 C4 一方面是為了濾去高頻干擾，另一方面可以有效地解決電路仿真過程中的不收斂問題。 所示，其中電容值為 1fF 的電容 C4 用來提高整個仿真過程中的收斂程度，其不會對整個電路產(chǎn)生大的影響。 4 總結(jié)與展望 總結(jié) 壓電振動能量收集是近年來微能量收集領(lǐng)域的研究熱點。由于采用壓電材料轉(zhuǎn)換能量時，壓電材料是能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，下一步可選擇具有高壓電系數(shù)、大機電耦合系數(shù)、低損耗的弛豫鐵電單晶或者陶瓷，以獲得更優(yōu)異的能量轉(zhuǎn)換性能。王老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、積極靈活的處事方式、樂觀豁達的為人態(tài)度以及對事業(yè)孜孜不倦的追求精神永遠是我學習的榜樣。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構(gòu)的學位或?qū)W歷而使用過的材料。本人授權(quán) 大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學位論文。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導師簽名： 日期： 年 月 日 第 25 頁 共 23 頁 注 意 事 項 （論文）的內(nèi)容包括： 1）封面（按教務(wù)處制定的標準封面格式制作） 2）原創(chuàng)性聲明 3）中文摘要（ 300 字左右）、關(guān)鍵詞 4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入） 6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論 7）參考文獻 8）致謝 9）附錄（對論文支持必要時） ：理工類設(shè)計（論文）正文字數(shù)不少于 1 萬字（不包括圖紙、 程序清單等），文科類論文正文字數(shù)不少于 萬字。 作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計 （論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。 同時，感謝四年來陪我走過的同學們，大家給了我學習和生活上的很多關(guān)心和幫助，從大家身上也學習了很多。 SSHI 電路在實驗 中實現(xiàn)的難點在于 LC 振蕩電路中斷開開關(guān)控制脈沖信號的產(chǎn)生，以及產(chǎn)生脈沖信號所需電能的來源?；诖说龋疚木蛪弘娬駝幽芰渴占闹饕夹g(shù)進行了研究，具體總結(jié)如下： （ 1） 研究了目前國內(nèi)外壓電振動能量收集存在的問題，比較了器件結(jié)構(gòu)和收集電路各部分的優(yōu)缺點，進而提出了壓電振動能量收集器的研究內(nèi)容。 顯示了穩(wěn)態(tài)時在第一階固有振動頻率下 SSHI 負載電路中的開關(guān)作用過程。 圖 ACDC 負載電路條件下的壓電振動能量收集器的多模態(tài)等效電路 SSHI 負載電路條件下的等效電路建模分析 利用等效電路建模方法仿真分析 SSHI 負載電路條件下的壓電懸臂梁輸出電壓時，難點在于導通開關(guān)控制信號的設(shè)置。 可以看出，建立壓電振動能量收集器等效電路模型的關(guān)鍵在于 確定等效電路參數(shù) 0C 、 rL 、 rR 、 rC 、 rN 和()rVt。當外力減小或消失時，為避免充電電容向壓電元件放電而導致儲存的點呢過下降，在電路中接入一個二極管，由于電容 C0 在充電過程中以及在給外接電路供電時，電容 C0上的電壓變化較大，為給工作電路提供穩(wěn)定的電壓，電源后接穩(wěn)壓器 。在這段時間所有的二極管反向偏置，沒有電流流出。因此，需要對壓電材料和中間支撐層的厚度比 、材料類型以及壓電懸臂梁的電能輸出與負載電阻之間的關(guān)系進行優(yōu)化選擇分析。是壓電材料機電耦合時一項主要的特性參數(shù)，定義為： 電壓由電場引起的形變d ? （ ） 第 12 頁 共 23 頁 g 該定義主要描述壓電 材料在外力作用下產(chǎn)生的電壓或者電流的變化： Tεdg? （ ） 其中 d 表示壓電應(yīng)變常數(shù)， T? 為相對介電常數(shù)。 這四類壓電方程的形式會因壓電材料的不同而有所差別，這主要是因為不同壓電材料的對稱性不同，從而引起壓電方程中力學和電學參數(shù)的獨立分量的個數(shù)有所差別。因此，本文以 PZT 壓電陶瓷材料為基礎(chǔ)，對壓電振動能量收集器進行分析 研究。 1880 年 J. 居里和 P. 居里兄弟發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)。 Shu 建立了串聯(lián)和并聯(lián) SSHI 電路條件下的壓電振動能量收集器模型，如 圖 。 Ottman 設(shè)計了一種降壓開關(guān)電路， 并實驗證明 了在線性負載和弱耦合的情況下，這種開關(guān)電路能夠?qū)弘娬駝幽芰渴占鞯妮敵龉β侍岣?00%。 Jiang 發(fā)現(xiàn)，振動源頻率與能量收集器固有頻率的微小偏移會引起整個輸出功率的大幅下降，因 而就出現(xiàn)了對調(diào)節(jié)壓電振動能量收集器的固有頻率，從而使其與環(huán)境振動源振動頻率匹配的方法研究。 在一些特殊的場合，需要設(shè)備自供電運行 ，而自供電的關(guān)鍵技術(shù)是其能量捕獲。微結(jié)構(gòu)單元加工技術(shù)是用于制造為組件中的微米級