【正文】 ：任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 作者簽名： 日 期： 第 24 頁 共 23 頁 學(xué)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(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。 Sons, Inc., 20xx: 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(guān)鍵技術(shù)研究 [D], 20xx. [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(jī)的研究 [J]. 微特電機(jī) , 20xx, 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(jié)構(gòu)性能分析 [J]. 固體力學(xué)學(xué)報 , 20xx, 28 (1): 6. [22]陳子光 , 胡元太 , 楊嘉實(shí) . 基于扭轉(zhuǎn)模態(tài)的角振動壓電俘能器研究 [J]. 應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué) , 20xx, 28 (6): 6. 第 21 頁 共 23 頁 附錄 第 22 頁 共 23 頁 第 23 頁 共 23 頁 畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo) 下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。曾經(jīng)互相學(xué)習(xí)、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(dǎo)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(shí)現(xiàn)斷開開關(guān)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(jī)理進(jìn)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(zhuǎn)換成電能的基礎(chǔ)材料；在壓電效應(yīng)的基礎(chǔ)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(jié)了壓電陶瓷材料內(nèi)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(xué)領(lǐng)域?qū)弘娞沾傻臉O化進(jìn)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(diǎn)，給出了壓電陶瓷的壓電方程；當(dāng)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(fù)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(guān)系以及 ACDC 和并聯(lián) SSHI 負(fù)載電路條件下的機(jī)電耦合強(qiáng)度之間的關(guān)系；本章的研究內(nèi)容是本 第 18 頁 共 23 頁 文研究展開的關(guān)鍵，為后續(xù)的仿真奠定堅實(shí)的理論基礎(chǔ)?？梢钥闯?，只要能夠嚴(yán)格的控制開關(guān)的導(dǎo)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(zhuǎn)是完全可以實(shí)現(xiàn)的。此時，在 PSPICE 軟件中選擇可控開關(guān) S1，其導(dǎo)通電壓為1V，截止電壓為 0V，并選用脈沖電壓源 Vc 作為開關(guān) S1 的控制源，設(shè)其低電平為 0V，高電平為 2V，脈沖寬度為 ，周期為 ，這樣就完成了整個 SSHI 負(fù)載電路條件下壓電振動能量收集器等效電路的設(shè)計，如 錯誤 !未找到引用源。假設(shè)串聯(lián)電感pL=1181。 所示。 ACDC 負(fù)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(fù)載電路條件下多模態(tài)壓電振動能量收集器的電能預(yù)測，還可應(yīng)用于 ACDC 非線性負(fù)載電路下多模態(tài)壓電懸臂梁的分析處理。 表 機(jī)電參數(shù)的類比關(guān)系 電學(xué)量 機(jī)械量 電荷 ()rqt 模態(tài)位移 ()()kr t? 電 流 ()rIt 模態(tài)速度 ()()kr t? 電壓源 ()rVt 外部力 ()? ()krQ bt?? 電感 rL 質(zhì)量系數(shù) 1 電阻 rR 阻尼系數(shù) ()?krC? 電容 rC 柔順系數(shù) ()21( )kr? 電容 0C 系數(shù) ()? kVC? 理想變壓比 rN 機(jī)電耦合系數(shù) ( ) ( )? kkVrK? 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(gòu)成的等效電路網(wǎng)絡(luò)。壓電振子在外力作用下產(chǎn)生電壓 V 后，電荷流向電容 C0，相當(dāng)于電極電容 Cp 放電，電容 C0 充電，電壓 V 下降，電壓 V0 上升，所以 V 和 V0 是充電時間的函數(shù)，分別記為 V(t)和 V0（ t）。該電路利用電容收集壓電陶瓷生產(chǎn)的電量，在壓電陶瓷內(nèi)部電極電容放電之前給電容充電直至達(dá)到其預(yù)期值。這種情況持續(xù)到壓電電壓 Vp（ t）等于輸出電 壓 Vrect。假設(shè)直流濾波電容 Crect 足夠大使輸出電壓 Vrect基本恒定；負(fù)載電阻上電壓為 i0（ t）；假設(shè)二極管處于理想狀態(tài)，負(fù)載可調(diào)。 本章小結(jié) 本章通過原理分析的方式對壓電振動能量收集器的機(jī)理進(jìn)行了初步研究。丁根芳等利用數(shù)值仿真的方法分析了以不同厚度鋁板為支撐層的壓電懸臂梁的振動及能量輸出，而 Jeong 則設(shè)計了以紫銅板為支撐層的壓電振動能量收集器。對壓電傳感器而言，希望具有較高的壓電電壓系數(shù)。其定義為： 輸入的機(jī)械能機(jī)械能轉(zhuǎn)換成的電能K 2 ? （ ） 輸入的電能電能轉(zhuǎn)換成的機(jī)械能K 2 ? （ ） K 越大，說明材料的機(jī)電轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)。 第 11 頁 共 23 頁 表 壓電材料的四類邊界條件 類別 邊界條件 特點(diǎn) (C 表示常數(shù) ) 第一類邊界條件 機(jī)械自由和電學(xué)短路 0TC?或 ； 0EC? 或 第二類邊界條件 機(jī)械夾持和電學(xué)短路 0SC?或 ； 0EC? 或 第三類邊界條件 機(jī)械自由和電學(xué)開路 0TC?或 ； 0DC? 或 第四類邊界條件 機(jī)械夾持和電學(xué)開路 0SC?或 ； 0DC? 或 本文主要以懸臂梁式壓電振動能量收集器為研究對象，壓電片通過黏貼的方式貼在懸臂梁的表面，壓電片的長度遠(yuǎn)大于其寬度和厚度。電學(xué)短路是指連接兩個電極的外電路中的電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于壓電陶瓷的內(nèi)阻，此時的電場強(qiáng)度 E 為零或為常數(shù)；而電學(xué)開路是指連接兩個電極的外電路中的電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓電陶瓷的內(nèi)阻，此時的電位移 D 為零或為常數(shù)。 壓電方程 在對壓電材料的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制的研究中，對其邊界條件的界定是一個重要的方面，只有確定了邊界條件形式，才能決定壓電材料的力學(xué)和電學(xué)邊界狀態(tài)。 圖 正逆壓電效應(yīng)示意圖 目前已出現(xiàn)的壓電材料大致可分為兩大類，一類是壓電單晶體，另一類 是壓電陶瓷。他們發(fā)現(xiàn)， ? 石英晶體在外力作用下發(fā)生形變時，其內(nèi)部會產(chǎn)生電極化，同時在它的某些表面上會出現(xiàn)符號相反且與外力成正比的極化電荷，如果在晶體的兩個相對表面上涂上金屬電極，則可在金屬電極上檢測到感應(yīng)電荷或電勢，這種沒有電場作用，只是由外力作用而使晶體表面出現(xiàn)電荷的現(xiàn)象，稱為正壓電效應(yīng)，如 圖 (a)所示。相對而言，在考慮 損耗時，并聯(lián) SSHI 系統(tǒng)的輸出功率相對頻率變化的敏感度要明顯大于串聯(lián) SSHI 系統(tǒng)。同時分析對比了 ACDC、串聯(lián) SSHI 和并聯(lián) SSHI 負(fù)載電路條件下壓電振動 第 9 頁 共 23 頁 能量收集器的電能輸出 特性。 Richard 的團(tuán)隊以此SSD 技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)出了適合于提高壓電振動能量收集器輸出功率的 SSHI 電路，并從理論上證明了這種 SSHI 電路能夠?qū)⒃?ACDC 能 量收集電路下的輸出功率提升 400~900%。 Shu 對比分析了強(qiáng)耦合和弱耦合下壓電發(fā)電機(jī)功率輸出的影響因素，并指出，最 優(yōu)輸出功率的條件因耦合強(qiáng)度的不同而發(fā)生變化。但是，幾乎所有的電子設(shè)備都需要直流電壓才能正常工作，這就促使另一種 ACDC 型能量收集電路的產(chǎn)生。在此基礎(chǔ)上， Umeda通過理論和仿真分析得出，在沖擊振動的激勵下，壓電振動能量收集器的能量轉(zhuǎn)換效率最大可以達(dá)到 52%。最早的能量收集電路被稱為 RAC 型 (或消耗型 )電路，這種電路中只有一個電阻負(fù)載，壓電振動能量收集器與電阻負(fù)載直接相連，如 (a)所示。而壓電發(fā)電材料在這方面有著顯著地優(yōu)良特性，利用壓電材料的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)可以設(shè)計制作出各類檢測裝置與控制傳感器，已滿足不同場合的需求。當(dāng)前，已經(jīng)研究出的通過旋轉(zhuǎn)機(jī) 械獲取能量的研究裝置主要有高速公路隧道中的視線導(dǎo)航標(biāo)識等，但這類研究依然很少，因此，將壓電發(fā)電技術(shù)與旋轉(zhuǎn)機(jī)械相結(jié)合的研究將成為下一步的研究重點(diǎn)。壓電發(fā)電裝置產(chǎn)生的電力一般在微瓦到毫瓦之間，雖然電力比較小，但足以滿足對微功耗系統(tǒng)的供電。 壓電發(fā)電技術(shù)的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展和成果，但同時也面臨著更大的挑戰(zhàn)，壓電發(fā)電技術(shù)的發(fā)展主要圍繞以下幾個方面展開。闞君武，唐可洪等利用歐拉 伯努利方法建立了發(fā)電裝置的能量轉(zhuǎn)換模型，研究了結(jié)構(gòu)及參數(shù)等對壓電發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率及發(fā)電能力的影響規(guī)律并建立了簡寫激勵條件下兩種能量轉(zhuǎn)換電路功率計算模型，并進(jìn)行了模擬分析與實(shí)驗驗證。 直觀地描述了上述三種振動能量收集方式的優(yōu)缺點(diǎn)。相比較而言，壓電式振動能量收集器具有許多優(yōu)勢。此外， Kim 和中南大學(xué)的陳子光等 [22]分別設(shè)計和實(shí)驗分析了鐃鈸型和柱筒扭轉(zhuǎn)型壓電振動能量收集器。 由于懸臂梁式壓電振動能量收集器結(jié)構(gòu)簡單、在實(shí)際中易于實(shí)現(xiàn)，因而對懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電振動能量收集器進(jìn)行分析的研究者也居多。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)。顧名思義，磁極運(yùn)動型是線圈保持不動，磁極運(yùn)動引起線圈相對切割磁場而產(chǎn)生電能；而磁極固定型是磁極保持不動， 第 5 頁 共 23 頁 線圈運(yùn)動切割磁場而產(chǎn)生電能。如果事先給電容器極板上加上了恒定的電壓，那么當(dāng)可動極板在環(huán)境振動的帶動下發(fā)生往復(fù)運(yùn)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。 由于振動能量在任何工業(yè)領(lǐng)域都很容易得到，因此，近些年來對基于振動環(huán)境的能量收集技術(shù)的研究越來越多。因此，為了發(fā)揮溫差發(fā)電機(jī)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(shí)驗等方面進(jìn)行深入研究。C，輻射強(qiáng)度為 800W/m2 時，能夠產(chǎn)生。 用于溫差發(fā)電的熱電材料主要以半導(dǎo)體材料為主，如 Bi2Te PbTe2SnTe和 SiGe 與 MnTe等 [13]。 3)溫差能收集 溫差發(fā)電技術(shù)是基于熱電材料的塞貝克效應(yīng)發(fā)展起來的一種能量收集技術(shù)。當(dāng)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。 表 不同光照時的輸出電能對比 光照條件 戶外中午 距離 60W 的 白熾燈 距離 60W 的 白熾燈 辦公室照明 輸出功率 (μW/cm3) 14000 5000 567 2） 聲能的收集 聲能也是一種非常 可觀的能量。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。此外，太陽能發(fā)電組件結(jié)構(gòu)具有體積小、重量輕、便于運(yùn)輸和安裝、發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)周期短、電負(fù)荷容量大、方便靈活、極易組合擴(kuò)容等特點(diǎn)，可隨人之需而定。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。C 梯度 ) 15 (10186。從 錯誤 !未找到引用源。對壓電振動能量轉(zhuǎn)化機(jī)理、電能預(yù)測模型、電能輸出影響因素、功率調(diào)節(jié) 與能量存儲電路的設(shè)計以及相關(guān)理論分析和實(shí)驗方法進(jìn)行了深入的研究和討論。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(fēng)能、熱能、聲能、電磁場能和機(jī)械 振動能等，如 圖 0 所示 [2]。這樣， 要 保證一個由上千個節(jié)點(diǎn)組成 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行就需要定期更換大量的電池，一方面 就 必然 要 增高無線