【正文】 ：任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）。作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。作者簽名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。 Sons, Inc., 2005: 75105.[18] Williams CB, Yates RB. Analysis of a microelectric generator for microsystems[J]. Sensors and Actuators, A: Physical, 1996, 52 (13): 811.[19] 袁江波. 圓盤式壓電發(fā)電裝置發(fā)電性能及其關鍵技術研究[D], 2011.[20] 鹿存躍, 周鐵英, 陳宇等. 壓電陶瓷剪切模式用于超聲波電動機的研究[J]. 微特電機, 2007, 35 (10): 4.[21] 胡洪平, 高發(fā)榮, 薛歡等. 低頻螺旋狀壓電俘能器結構性能分析[J]. 固體力學學報, 2007, 28 (1): 6.[22]陳子光, 胡元太, 楊嘉實. 基于扭轉模態(tài)的角振動壓電俘能器研究[J]. 應用數(shù)學和力學, 2007, 28 (6): 6.附錄第 25 頁 共 23 頁畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。曾經(jīng)互相學習、互相幫助，一起努力，共同成長的時光將是我生命中難忘而美好的回憶，再次祝福大家一切順利。從選題、查閱資料、開題至論文的定稿審閱，導師都付出了很多心血。如果能利用壓電懸臂梁自身產(chǎn)生的電能來實現(xiàn)斷開開關的控制，那將是一個很有挑戰(zhàn)意義的工作。為此，下一步研究將從以下幾個方面展開：（1） 為獲得高的輸出電壓和收集多的能量，壓電材料的選擇尤為重要。（2） 通過原理分析的方式對懸臂梁式壓電振動能量收集器的機理進行了分析研究；通過對比不同壓電材料的參數(shù)和性能，選取了壓電陶瓷作為將振動能量轉換成電能的基礎材料；在壓電效應的基礎上，從介電物理的角度分析了壓電陶瓷材料的極化過程，總結了壓電陶瓷材料內部的電偶極矩在極化過程中的受力和變化過程，從而在微電子學領域對壓電陶瓷的極化進行了分析；簡要說明了不同邊界條件下壓電材料的四種壓電方程，并根據(jù)壓電陶瓷材料的對稱特點，給出了壓電陶瓷的壓電方程；當環(huán)境振動頻率接近于壓電懸臂梁的固有振動頻率時，其電壓和功率輸出最大，但只有在最優(yōu)負載電阻時輸出功率才能取得最大值。首先模擬出壓電發(fā)電裝置的等效模型，分析研究了電流電壓關系以及ACDC和并聯(lián)SSHI負載電路條件下的機電耦合強度之間的關系；本章的研究內容是本文研究展開的關鍵，為后續(xù)的仿真奠定堅實的理論基礎?？梢钥闯?，只要能夠嚴格的控制開關的導通時間，那么在壓電懸臂梁輸出電壓的極值處發(fā)生電壓的翻轉是完全可以實現(xiàn)的。H，那么根據(jù)式可得LC振蕩電路的周期為=，于是開關電路的導通時間為=。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。 ACDC負載電路條件下的等效電路建模分析等效電路建模分析方法的方便之處并不僅限于對RAC負載電路條件下多模態(tài)壓電振動能量收集器的電能預測，還可應用于ACDC非線性負載電路下多模態(tài)壓電懸臂梁的分析處理。表 機電參數(shù)的類比關系電學量機械量電荷模態(tài)位移電流模態(tài)速度電壓源外部力電感質量系數(shù)1電阻阻尼系數(shù) 電容柔順系數(shù)電容系數(shù)理想變壓比機電耦合系數(shù)從表 3中可以得出，壓電振動能量收集器可看成由無限個電感、電容、電阻、理想電壓源和理想變壓器組成的并聯(lián)支路共同構成的等效電路網(wǎng)絡。 模型電路輸出電壓和電流波形 壓電電源簡化圖 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。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，在材料內部產(chǎn)生交流電壓，而當材料內部電阻太大（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）。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。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)，與內在的電極電容Cp并聯(lián)。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。 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。其定義為： （）3. 壓電應變常數(shù)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)。當壓電材料處于第一類邊界條件時，選擇應力和電場強度為自變量，應變和電位移為因變量，得到相應的第一類壓電方程為： (）也可以表示為： （）：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。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(, )與電學量(, )之間的相互關系。所謂機械自由是指壓電材料可以自由變形，此時的應力為零或常數(shù)；機械夾持是指壓電材料不能自由變形，此時的應變?yōu)榱慊虺?shù)。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。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。圖 串聯(lián)和并聯(lián)SSHI能量收集電路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。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。因此，Shu在2007年首次提出了關于在非共振條件下的SSHI電路的討論。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。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。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。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。 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。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。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。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。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。英國的Stephen Roberts等于2009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。首先，它不需要額外的電源支持，也不會對電子設備產(chǎn)生電磁干擾；其次，壓電材料易于加工成各種厚度、大小和形狀，其各項材料性能受溫度的影響較小，這樣制作成的壓電元件性能穩(wěn)定，而且便于與環(huán)境振動頻率相匹配；第三，壓電振動能量收集器的能量密度大、結構簡單，便于實現(xiàn)結構上的微型化。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。例如，Roundy建立了矩形壓電懸臂梁振動能量收集器模型，并實驗證明，在120Hz、。在這種結構中，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，從而將振動能量轉化成電能；鐃鈸結構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)生感應電壓；柱筒式壓電振動能量收集器的結構較為復雜，如圖 1.(c)所示。表 常見振動源及其特性振動源峰值加速度(m/s2)頻率(Hz)三軸機床基座1070廚房用攪拌機外殼121干衣機121關門時的門框3125微波爐121空調60行走時的木質板385面包機121靠街窗戶外側100運行光驅時的電腦75洗衣機109木結構建筑的二層樓表面100冰箱2403）壓電式壓電式振動能量收集器(也稱為壓電發(fā)電機)的原理是利用環(huán)境中的振動能量使壓電元件發(fā)生變形，并通過壓電效應使得因壓電元件變形而產(chǎn)生的應變能轉換成電能輸出。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，其轉換原理與法拉第發(fā)電機的電磁感應原理相同?；诃h(huán)境的振動能量收集是一種將周圍環(huán)境中的振動能量通過某種機制而轉換成電能的技術，根據(jù)能量轉換機制的不同