悬臂梁阵列式压电俘能输出特性的研究

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1、犬遣嫂－大學ＤＡＬＩＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ硕士芽位论文ＭＡＳＴＥＲＡＬＤＩＳＳＥＲＴＡＴＩＯＮ悬臂梁阵列式压电俘能输出特性的研究学科专业微电子学与固体电子学作者姓名教１指导教师＿＿＿＿副一＿＿＿２０１６５Ｒ答辩日期＿＾＾＿硕士学位论文悬臂粱阵列式压电俘能输出特性的研究ＴｈｅＳｔｕｄｙｏｎＯｕｔｕｔＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃＣａｎｔｉｌｅｖｅｒｐＢｅａｍｓＡｒｒａｙ作者姓名：包华宇学科、专业：微电子学与固体电子学学

2、号：２１２０９０１７指导教师：白凤仙完成日期２０１５年５月５日：大遠理工太營ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体巳经发表的研究成果，也不包含其他巳申请一学位或其他用途使用过的成果。与我同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目：

3、作者签名：曰期：前年ｉ月曰？大连理工大学硕士学位论文摘要振动作为生活和工程实际中广泛存在的一种能量形式，其存在形式具有多样性。合理、高效地采集振动源的能量，为电子设备的自供电提供了可能。压电式的振动能量收集具有结构简单、易于集成、不发热、机电转换效率高等优点，成为振动能量采集领域一。研究的重点之由于悬臂梁式的振动频率比较低，适合收集实际环境中存在的振动能一量，从而使悬臂梁式的压电俘能器在低功耗领域得到了些应用。但由于环境振动的不稳定性和压电能量收集只有在共振状态下输出电能水平才有保证的特点，单个梁的压电俘能系统仅能满足较低功耗

4、的电子设备。为了提高输出功率，满足更多电子设备的供电需求，研究阵列式的压电俘能系统具有重要意义。本文以悬臂梁式的压电俘能器为研究对象，以提高输出功率和拓宽工作频带为目的，采用理论分析与实验验证相结合的方法对阵列式的压电俘能进行了研究。首先，基于悬臂梁式压电俘能的集总参数等效电路模型，采用叠加定理的方法对并联、串联以及串并混联的阵列进行了系统的理论分析和实验验证，并指出了混联连接可以满足负载变化时的阻抗匹配。其次，仿真分析了带有整流的悬臂梁阵列连接，讨论了先连接后整流和先整流后连接的阵列对输出功率的影响。最后，通过仿真和实验分别研究了悬臂梁谐振

5、频率差、输出电压幅度差和激励的相位差对阵列输出功率的影响。仿真和实验结果表明：（１）Ｎ个相同梁无论是串联、并联还是串并混联的阵列在与负载匹配时得到的最大输出功率均为单个梁最大输出功率的Ｎ倍。但串联时的匹配阻抗为单个梁的Ｎ倍；并联时匹配阻抗为单个梁的１／Ｎ；而阵列混联时，可以通过改变串、并联的连接个数及串、并联的先后顺序实现与负载匹配；（２）无论是先并联后整流还是先整流后并联的阵列连接，其最大输出功率均相同，但是前者匹配阻抗小于后者匹配一阻抗；（３）悬臂梁的谐振频率差在定范围内时，阵列连接既可以提高输出功率也可以拓宽频带。悬臂梁在本文设计的尺寸和

6、材料内，带宽为３．５Ｈｚ时，对于串联的阵列，谐振频率之差与单个梁频带宽度之比不能大于２．５７１，而并联时不能大于０．５７１；（４）悬臂梁的输出电压幅度之比大于６．２／１５．０而小于１５．０／６．２时，无论是串联还是并联阵列均可以提高输出功率，即阵列的最大输出功率大于单个梁的最大输出功率；（５）悬臂梁输出电压之间的相位差在一定范围内时，阵列连接是可以提高输出功率的。以阵列输出功率不低于悬臂梁最大输出功率之和的５０％为例，对于６个梁的阵列，悬臂梁彼此间的相位差不能大于°°２７；对于３个梁的阵列，悬臂梁彼此间的相位差不能大于５４。关键词：压电能量收集

7、输出功率匹配阻抗；谐振频；；率－－Ｉ大连理工大学硕士学位论文ＴｈｅＳｔｕｄｙｏｎＯｕｔｕｔＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃＣａｎｔｉｌｅｖｅｒＢｅａｍｓｐＡｒｒａｙＡｂｓｔｒａｃｔＡｓａｋｉｎｄｏｆｗｉｄｅｓｐｒｅａｄｅｎｅｒｇｙｉｎｌｉｆｅａｎｄａｃｔｕａｌｐｒｏｊｅｃｔ，ｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙｈａｓａｄｉｖｅｒｓｉｔｏｆｆｏｒｍ．Ｇａｔｈｅｒｉｎｇｔｈｅｅｎｅｒｇｙｏｆｖｉｂｒａｔ