發(fā)布時間：2018-12-14 08:12

【摘要】：隨著電子科學(xué)和材料科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,以壓電材料為能量轉(zhuǎn)換核心的壓電器件不斷向集成化、微型化、智能化、輕質(zhì)化和低功耗的方向快速發(fā)展,并出現(xiàn)了一些列新型壓電器件,如壓電能量采集器、壓電超聲波驅(qū)動器、壓電振動傳感器等。這些新型壓電器件廣泛應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)、便攜式電子設(shè)備和精密驅(qū)動與控制系統(tǒng)中。 目前,在無線傳感網(wǎng)和便攜式智能設(shè)備等低功率微型電子產(chǎn)品中,傳統(tǒng)的電化學(xué)電池日益突顯出壽命短、污染環(huán)境和頻繁定期更換電池等缺點(diǎn),因此,研究可持續(xù)且無污染的新型能源代替電化學(xué)電池為微型電子產(chǎn)品供電已成為當(dāng)前迫切需要解決的瓶頸問題�；�于正壓電效應(yīng)的新型壓電器件——壓電能量采集器是解決該問題的有效方法之一,它因具有無電磁干擾、環(huán)保、高能量密度和體積小等優(yōu)點(diǎn)吸引了廣大學(xué)者的研究興趣,并圍繞結(jié)構(gòu)設(shè)計、振動模式和能量采集電路等方面展開研究,但從未涉及到能量采集電路與壓電晶體之間的阻抗匹配問題,從而損耗掉大量的能量,致使能量轉(zhuǎn)換率較低。此外,基于逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動功能的壓電器件——壓電超聲波電機(jī)由于具有精密定位和良好的控制性能,在很多領(lǐng)域已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的電磁型電機(jī)。但這種新型壓器件的輸出功率比較低,一般不超過50%,大部分能量都以熱量的形式損耗掉了,造成能源的極大浪費(fèi)。因此,如何有效地提高壓電器件的輸出功率和減少能量損耗已經(jīng)是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。 論文以壓電能量采集器和壓電超聲波電機(jī)這兩種新型壓電器件為研究對象。針對壓電能量采集器,設(shè)計了典型的壓電能量采集器結(jié)構(gòu),綜合考慮結(jié)構(gòu)因素和力電耦合因素,利用ADPL命令流對壓電能量采集器進(jìn)行了研究分析,并實(shí)現(xiàn)了輸出功率的優(yōu)化,為能量采集電路提供了阻抗依據(jù)。同時,針對上述能量采集器諧振頻率單一、窄工作頻帶等缺陷,提出了一種帶有彈性放大器的寬頻壓電振動能量采集器,建立了這種能量采集器的有限元機(jī)電耦合分析模型,分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對能量采集器輸出性能的影響規(guī)律,研制能量采集器物理樣機(jī),搭建了相關(guān)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究。針對壓電超聲波電機(jī),結(jié)合能量采集器的原理,改變了超聲波電機(jī)環(huán)形壓電晶體的劃分模式,設(shè)計了集驅(qū)動和能量采集功能為一體的能量回饋型超聲波電機(jī),建立了超聲波電機(jī)定子機(jī)電耦合有限元模型,分析了定子結(jié)構(gòu)參數(shù)對器件振動特性以及電輸出特性的影響。 論文的主要研究內(nèi)容如下： 第一章介紹了論文的研究背景及意義,闡述了壓電器件的分類及應(yīng)用,詳細(xì)綜述了基于正壓電效應(yīng)的壓電振動能量采集器和基于逆壓電效應(yīng)的壓電超聲波電機(jī)等壓電器件的國內(nèi)外現(xiàn)狀,還指出了研究中所存在的問題及不足。 第二章主要介紹了與論文研究工作有關(guān)的基礎(chǔ)理論知識,包括壓電陶瓷、壓電效應(yīng)、壓電方程和振動理論等。結(jié)合基礎(chǔ)理論知識,給出了懸臂梁壓電振動能量采集器模型和環(huán)形夾心壓電振子模型,基于Euler-Bernoulli梁理論建立了相應(yīng)的彎曲自由振動微分方程,得到了相應(yīng)的振型函數(shù)、頻率方程及振動模態(tài)。 第三章研究了單頻懸臂梁壓電振動能量采集器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作原理,詳細(xì)介紹了基于ADPL的機(jī)電耦合模型建模步驟,仿真分析了能量采集器負(fù)載電阻等對振動特性與電輸出特性的影響規(guī)律,并對能量采集器的輸出功率進(jìn)行了優(yōu)化分析與設(shè)計,得到了系統(tǒng)最優(yōu)匹配電阻。最后,研究分析了壓電陶瓷電極連接(串聯(lián)或并聯(lián))形式對懸臂梁能量采集器輸出性能的影響。 第四章重點(diǎn)研究了寬頻振動能量采集器的設(shè)計和力電輸出特性。提出了一種帶有彈簧放大器的寬頻壓電振動能量采集器,綜合考慮懸臂梁與電路、懸臂梁與彈簧系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系,利用ADPL命令流建立了寬頻壓電能量采集器的機(jī)電耦合模型,仿真分析了系統(tǒng)質(zhì)量比、剛度比、阻尼比和負(fù)載電阻對能量采集器力電輸出特性的影響,并對能量采集器的功率優(yōu)化和阻抗匹配問題進(jìn)行了詳細(xì)分析與研究。 第五章研究了一種基于逆壓電效應(yīng)的新型壓電器件——能量回饋型超聲波電機(jī),該電機(jī)集精密驅(qū)動與能量采集功能于一體。詳細(xì)介紹了能量回饋型超聲波電機(jī)環(huán)形夾心壓電振子的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路,基于有限元法建立了機(jī)電耦合模型并進(jìn)行了仿真分析,得到了壓電振子的振動特性和電輸出特性變化曲線。最后,研究了不同轉(zhuǎn)換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對壓電振子的振動特性以及能量轉(zhuǎn)換特性的影響。 第六章研制了單頻懸臂梁能量采集器和寬頻振動能量采集器的樣機(jī)模型,搭建了能量采集器的實(shí)驗(yàn)平臺,詳細(xì)介紹了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的操作過程。最后,通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元模型結(jié)果的比較與分析,驗(yàn)證了有限元仿真分析結(jié)果的正確性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：浙江工商大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN384

【參考文獻(xiàn)】

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1 夏長亮,鄭堯,史婷娜;行波型超聲波電機(jī)PWM驅(qū)動控制系統(tǒng)研究[J];電力電子技術(shù);2001年03期

2 黃君冉;蓋玲;葉尊忠;王劍平;;壓電免疫生物傳感器快速檢測三唑磷農(nóng)藥[J];分析化學(xué);2010年10期

3 趙志剛;丁旭升;劉福貴;楊茁萌;;微型電磁式振動能量采集器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真研究[J];電工技術(shù)學(xué)報;2012年08期

4 王勇;周彬;秦志春;曹玉武;;壓電陶瓷用于半導(dǎo)體橋點(diǎn)火的研究[J];火工品;2010年06期

5 向思樺;陳四海;吳鑫;鄭夏威;肖丁;;基于新型壓電驅(qū)動器的激光掃描器[J];紅外與激光工程;2010年01期

6 趙瑩瑩;唐元興;李文石;;旋轉(zhuǎn)行波型超聲波電機(jī)的建模[J];中國集成電路;2012年06期

7 曾亮;沈萌紅;錢孝華;;ANSYS在超聲波電機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用[J];機(jī)電工程;2009年03期

8 傅平;郭吉豐;;行波型三自由度超聲波球電機(jī)的靜力學(xué)問題[J];江南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2008年04期

9 王光慶;沈潤杰;郭吉豐;;壓電陶瓷對超聲波電動機(jī)定子特性的影響[J];機(jī)械工程學(xué)報;2010年04期

10 雍安姣,張大衛(wèi);超聲波直線電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理[J];機(jī)械與電子;2005年02期

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本文編號：2378265