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流体耦合压电俘能器的研究

范兆凯  
【摘要】:随着微电子技术和无线电技术的飞速发展,无线传感器已经在多个领域广泛应用,在能量供给方式上仍以传统的化学电池为主。由于化学电池存在的问题日益突出,如生命周期短,需要定期更换或者再充电,体积大,回收困难、污染环境等,因此寻求新型的能量供给方式尤为必要。基于压电效应的压电发电方式能够将环境的振动能转换为电能,能够产生较高电压,可以直接为电子器件供能,且结构简单,易于加工制作,便于集成化和微型化,能适应于条件比较恶劣的环境中,因此压电发电技术逐渐成为研究热点。当压电发电装置的谐振频率与外界激励频率相近达到谐振状态时俘能效果较好,但是一般环境频率并不固定,因此通过对结构进行适当设计使其谐振频率随着外界激励频率值的改变而改变就变得尤为重要。本文提出一种利用液体对压电振子进行固有频率调节的方法,根据没入液体深度的不同而改变俘能器的谐振频率,实现在一定的宽频范围内实现良好的俘能效果。 首先,建立了悬臂梁压电俘能器的振动模型,分析对俘能功率有影响的参数。分别建立在空气中和液体中时压电俘能器固有频率的理论公式,并将空气中固有频率与完全没入液体中固有频率之差作为液体对俘能器的频率调节范围,对影响频率调节范围的不同参数进行了数值分析。 接着对俘能器在空气和液体的情况进行ANSYS有限元仿真分析。对俘能器在空气和液体中的情况进行模态分析,得到不同没入深度比的情况下的固有频率,并对数值分析结果进行验证。对空气和液体情况下俘能器的俘能特性进行仿真分析,主要分析不同没入深度比的情况下俘能器的开路特性,内阻抗特性,最优功率,带宽和品质因数等,并对结构参数对发电能力的影响进行分析。 最后通过建立实验装置对理论分析和仿真分析结果进行验证。通过不同没入深度比的情况下下的谐振频率对数值结果和仿真结果进行验证,研究了不同参数对频率调节范围的影响,通过示波器记录停止激振后的衰减曲线对阻尼比进行计算,与仿真分析相同,研究不同没入深度比情况下的俘能特性,并分析验证不同的结构参数对俘能器压电发电能力的影响。


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