固支梁压电俘能器宽频规划及其仿真与实验研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:phoenixs
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随着无线网络技术和微机电系统的飞速发展,微电子产品在民用工业和军事领域得到广泛的应用。这些微电子产品需要电源供能,常用的以化学电池为主的供能方式存在许多明显的弊端,如体积大、供能寿命有限、环境污染等,人们开始致力于研究将环境中的振动能转化为电能的方法。压电发电装置因具有无污染、装置简单,易实现微小化、集成化等优点,现已成为研究的热点之一。本文以固支梁压电俘能器为研究对象,通过对其加载质量块进行调频、改频以达到外界环境中激振源的频率,来提高俘能器的频率响应能力。经仿真分析得加载质量块可实现频率调节,但是不足以达到宽频的效果。为进一步降低压电振子的谐振频率,缩小固有频率差,设计了多分段压电片多质量系统固支梁压电俘能器,仿真结果表明该俘能器实现了降频,缩小了固有频率差,在一定程度上实现宽频,然而效果还不够理想。基于该结构宽频性能的启发,设计了十字梁压电俘能器,并对其进行宽频规划。最终设计出可以实现降频、能够缩小频率差和达到宽频的目的的十字型固支梁压电俘能器。为提高俘能效率,本文研制了基于Boost-Buck型升、降压的压电储能电路,并通过NI Multisim10电路仿真软件对电路进行仿真分析,从仿真的角度验证了该储能电路的可行性。为了验证仿真分析的正确性,搭建了固支梁压电俘能器实验系统。采用PSV-400-m2激光测振仪测量固支梁压电振子的模态振型。对几种固支梁压电俘能器进行俘能实验研究,其中单质量块固支梁压电俘能器频率响应能力低,俘能效果较差;多分段压电片多质量系统固支梁俘能器输出功率在小段频带范围内可实现宽频,俘能效果较好;十字型固支梁压电俘能器有多个输出功率峰值,且在60-75Hz的低频段输出功率相对平稳,宽频效果良好。最后验证了Boost-Buck储能电路的俘能性能,通过改变激振频率、开关频率、匹配负载、开关占空比等来提高储能电路的俘能效果;并与基本储能电路进行实验对比得,Boost-Buck储能电路降低了负载匹配阻抗,扩宽了负载的应用范围,输出功率平稳,在压电储能中有良好的应用价值。
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