压电俘能器和变压器的结构优化设计

【摘要】： 近年来,随着大规模集成电路技术的发展,许多电子微器件的能耗降至只有几十到几百微瓦,这使得我们可从日常环境中提取能量,再供给耗能较低的微电子设备使用。由于具有优良的力电耦合性能,压电材料非常适于用来制造一种将环境中的机械振动能转化为电能的压电器件,这种压电器件称为压电俘能器,它可看作是压电变压器的一半,因为压电变压器是将电能转化为机械能,然后再将机械能转化为电能。本文建立了四种压电俘能器模型和一种新型的压电变压器模型,在理论上深入研究了这些压电器件的工作特征,提出了几点改善压电器件工作效能的可行方法,为压电俘能器和变压器的结构优化设计提供了理论指导基础。具体研究成果有以下几点： (1)以线性压电理论为基础,推导出四种不同结构压电俘能器工作效能的解析解,并采用数值计算方法,深入研究了压电俘能器的工作效能与自身的几何、物理参数、外界振动频率以及输出阻抗之间的具体关系,从理论上推导出当压电俘能器在某一频率范围内具有最大工作效能时,各个参数所对应的取值。这对压电俘能器俘能结构的优化设计具有重要的指导意义,为将来开发出高性能压电俘能器提供了理论基础。 (2)全面比较了四种压电俘能器之间的异同点,每种俘能器都有各自的工作频率范围。弯曲振动模态的俘能器能在较低频率、较低强度的振动环境中激发出较大输出能量,而厚度剪切模态的俘能器需要在较高频率、较大强度的振动环境中才有较大的输出能量,但厚度剪切模态的俘能器所能产生的输出能量上限远高于弯曲振动模态的俘能器。这些结论为我们针对不同使用环境选用合适的俘能器提供了理论指导。 (3)分析了增加高聚物附加层对厚度剪切圆柱壳俘能器工作特性的影响,所得结果表明,增加高聚物附加层后俘能器的共振频率明显降低,从而极大地扩展了圆柱壳俘能器的使用范围。 (4)设计了一种悬挂末端集中质量的Rosen型压电变压器,推导出了末端集中质量和变压器节点位置及变压比之间的解析关系,指出集中质量的悬挂方式取决于变压器的工作模态：若工作在一阶模态下则应在左端悬挂质量,工作在二阶模态下则悬挂右端质量。这为提高压电变压器的工作效率提供了一种新的途径。