基于悬臂梁式压电振子的能量回收特性研究

论文总字数：20617字

目 录

1绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2研究现状和发展趋势 2

1.2.1研究现状 2

1.2.2发展趋势 2

1.3研究内容 3

2 悬臂梁式压电振子理论分析 4

2.1 压电效应理论 4

2.2 压电材料选取及压电方程研究 4

2.2.1 压电材料 4

2.2.2 压电性能参数 5

2.2.3 压电方程理论 6

2.2.4压电振子的支撑方式 7

2.3 压电振子研究 8

2.3.1 压电振子的振型 8

2.4 本章小结 9

3 悬臂梁压电振子有限元仿真分析 10

3.1 COMSOL有限元仿真软件 10

3.2 悬臂梁式压电振子的结构 10

3.3压电振子模态分析 10

3.3.1压电振子长度对模态谐振频率的影响 11

3.3.2压电振子基板厚度对模态谐振频率的影响 12

3.3.3压电振子基板材料对一阶谐振频率的影响 12

3.3.4质量块对一阶谐振频率的影响 13

3.4压电振子谐响应分析 14

3.4.1压电振子长度对谐响应分析的影响 14

3.4.2压电振子基板厚度对谐响应分析的影响 15

3.4.3压电振子基板材料对谐响应分析的影响 17

3.4.4质量块对谐响应分析的影响 17

3.5本章小结 18

4 L型宽频压电发电装置研究 20

4.1 L型宽频压电发电装置的模态分析 20

4.1.1基板长度对系统模态影响 20

4.1.2质量块对系统模态影响 21

4.2 L型宽频压电发电装置的谐响应分析 22

4.3本章小结 23

5 总结与展望 24

5.1论文总结 24

5.2未来展望 24

参考文献 25

致谢 26

基于悬臂梁式压电振子的能量回收特性研究

袁 帅

ABSTRACT：Under the background of today's era, the Internet of Things has achieved unprecedented rapid development. Meanwhile, various integrated circuit technologies have become more and more sophisticated, and various micro-sensor elements have emerged in endlessly. However, these sensors are often installed in some difficult-to-maintain environments, which makes it difficult for an active battery that needs to be replaced. Therefore, to collect green energy from the environment in response to local conditions in order to deal with such problems, not only can save a lot of manpower and material resources, but also can solve a large number of micro-sensor energy supply problems for a long time. Based on the cantilever-type piezoelectric vibration energy recovery system, this thesis discusses the impact of various factors in the energy recovery system components on the system response. COMSOL finite element simulation software was used to perform modal analysis and harmonic response analysis of the double crystal single cantilever beam system. The influence of the cantilever beam on the natural frequency and harmonic response of the system was studied by changing the structure of the cantilever beam. The main research object was the length of the cantilever beam. Thickness, substrate material, and mass at the top of the free end. An L-type broadband energy harvester by using two cantilever beam lengths and two masses was established. The influence of beam length and mass on its natural resonance frequency and harmonious response was studied, so an optimized structure was selected for a reasonable L-shaped structure in order to obtain high voltage output.

Keywords: double crystal cantilever beam, PVDF piezoelectric film, modal analysis, harmonic response analysis, broadband

1绪论

1.1研究背景和意义

随着MEMS在物联网发展中的广泛应用，这些产品的电源问题日益成为一个重要课题。但是，这些产品具有以下三个特点：分布广泛，数量庞大，安装环境复杂。同时，微电子产品有两种供电方式：无源供电和有源供电两种。主动供电的主要模式是电池供电，而传统电池使用寿命短，需要频繁充电，废电池破坏环境，不适合恶劣环境等缺点，越来越无法满足电源供应的需求微电子产品。另一方面，由于MEMS的发展，电子产品的体积越来越小，功耗越来越小。这两方面都使得独立电源的微能量出现，因此非常有必要采用无源供电方式。

由于微电子产品的微型化，低功率物联网MEMS传感器的功率降低到10毫瓦以下，如表1.1所示，因此可以从环境获取能量到传感器。 由于传感器的安装环境往往限制了很多人为的干扰，如果能够收集环境中的能量，就可以实现无源供电¹。

表 1.1常用低功耗传感器功耗

环境中的主要能源形式是太阳能²、潮汐能、风能、振动能和温差能³，各种能源的能量密度如表1.2所示。其中，振动能量在环境中无处不在，对环境影响很小。同时，由于振动能量的能量密度较高，振动能量转化为电能时，可以减小振动对固体结构的影响。 目前，环境中有3种收集振动能量的方式：静电转换^4-5，电磁感应^6-7和压电转换⁸。相比较静电转换需要独立的电压源以及电磁感应易受电磁干扰，压电转换器具有器件简单，耦合系数高，能量来源丰富等特点⁹，属于绿色无源能源领域，如表1.3所示。

表1.2环境能量源的供能密度比较

表1.3振动能收集方式比较

1.2研究现状和发展趋势

1.2.1研究现状

1）地铁通道压电发电¹⁰

在日本，有一种将压电发电设备安装在闸机通道下方的设计。当行人通过道路时，路面的振动转化为电能，产生的电能可以作为地铁站的大门和照明的工作电源。多余的电能也可以通过良好的电路储存。随着材料和压电结构的不断改进，发电量从每天4瓦时发展到每天140瓦时。

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