基于多稳态压电结构的环境振动与声能量采集技术研究

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1、学校代码10699分类号TN384密级公开学号2012100490题目基于多稳态压电结构的环境振动与声能量采集技术研究作者周志勇学科、专业力学指导教师秦卫阳申请学位日期2017年3月西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：基于多稳态压电结构的环境振动与声能量采集技术研究作者：周志勇学科专业：力学指导教师：秦卫阳2017年3月西北工业大学Title:Researchonharvestingambientvibrationandacousticenergybymulti-stablepiezoelectricconf

2、igurationByZhouZhi-yongUndertheSupervisionofProfessorQinWei-yangADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofMechanicsXi’anP.R.ChinaMarch2017摘要摘要随着无线传感器系统和微机电系统的发展，低功耗微电子器件被应用到航空航天、军事国防、工业自

3、动化与控制、远程监测控制等诸多领域。而传统的化学电池在质量、体积、寿命等方面难以满足这些微电子设备的需求。从环境中收集能量并转换为电能的自供功能系统技术研究已经成为国内外的前沿热点。压电俘能装置利用压电效应可将环境中的振动能转化为电能为低功耗微电子设备供电。传统的线性共振压电俘能装置只有当外界激励源振动频率与其固有频率接近时才具有较高的发电效率，而外界环境中的振动能大多分布在较宽的频带内甚至是随机的，导致在实际应用中的能量转换效率非常低。本文基于相干共振进行了环境振动能量的压电俘能采集技术研究。首先介绍并分析了压电俘

4、能装置在车辆桥梁系统中的应用，又提出了四稳态和五稳态压电俘能系统，通过数值计算和实验研究相结合的方法，验证其具有较高的发电效率。最后又对声激励下的俘能进行了探索，提出了一种双稳态声俘能系统，通过实验研究证明了双稳态声俘能装置的能量采集效率优于传统的线性声俘能装置。本文主要的工作和研究成果如下：1.对车辆桥梁系统进行建模分析，推导了桥梁系统在外界激励系统振动的表达式，并将压电俘能系统应用于桥梁系统，通过对车辆过桥中压电俘能系统的研究，发现车速、车身质量及压电俘能器位置等参数对俘能效率的影响。车辆过桥时存在一临界速度使得

5、桥梁振动最为剧烈有利于压电俘能装置发电，并且随着车身质量的增加对能量俘获也是有利的，而且压电俘能装置分布在桥梁跨中位置时效率最高。2.提出了一种四稳态系统用于提高能量采集效率。基于能量法推导了四稳态压电俘能系统机电耦合方程。从势能图中看出四稳态系统是优于双稳态系统的，因为四稳态系统拥有较宽的最大阱距和较低的势垒高度，容易发生大幅阱间运动。通过数值模拟和实验研究了四稳态系统在简谐激励下的动力学特性，发现相比较于双稳态系统四稳态系统即使在较低的激励幅值下也可越过势垒实现大幅阱间运动，拥有较宽的有效能量获取频带并具有较高的

6、发电效率。3.研究了在随机激励下四稳态系统的响应。通过对四稳态系统平衡点分岔图的研究，发现只有当悬臂梁末端磁铁和固定支座处磁铁之间的分离距离和固定支座处磁铁之间的间距在一定范围时，四稳态俘能装置才具有四个稳定的平衡点。通过数值模拟和实验研究发现在随机激励下四稳态系统的能量采集效率高于双稳态系统。即使在较低的激励强度下四稳态系统也可发生相干共振，而且在激励强度一定时通过调整悬臂梁末端磁铁和固定支座处磁铁之间的分离距离及固定支座处磁铁之间的间距可实现能量最大化输出。4.构建了五稳态压电俘能系统模型。通过调节五稳态压电俘能

7、装置中悬臂梁末端与固定支座处磁铁之间的距离及固定支座处磁铁之间的距离和角度使之拥有五个稳定的I西北工业大学博士学位论文平衡位置。通过势能分析可以看出五稳态系统拥有较宽的最大阱间间距和较低的势垒高度，这意味着五稳态系统发生阱间跃迁运动的激励阈值远低于双稳态系统，且发生阱间运动时的幅值远大于双稳态系统势。通过实验研究发现五稳态系统在发生阱间运动时，尤其是发生最外部势阱间的阱间运动时其幅值远大双稳态系统，因而大大增加了输出电压的幅值。5.提出了一种双稳态声俘能结构，提高了声能向电能的转化效率。通过势能分析发现磁铁间距与系统

8、势垒高度、势阱宽度密切相关。通过实验研究发现双稳态声俘能系统在较低的声激励强度下可发生相干共振并将噪声能量转化为系统的低频振动响应，而且磁铁间距是影响发生相干共振的一个重要因素。另外当声压强度一定时双稳态系统存在最优磁铁间距使得系统电压输出最大化。本文通过对上述基于环境振动压电俘能系统的研究，可为压电俘能结构俘能效率的提高提供指导。关键词：压电