面向环境振动的压电俘能器及其俘能特性研究PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 环境振动能的三种转换形式 1

1.3 压电俘能器国内外研究现状 4

1.3.1 压电材料 4

1.3.2 压电俘能器的工作模式 6

1.3.3 单晶与双晶压电技术 7

1.3.4 俘能振子的结构形式 8

1.3.5 压电俘能器的频率调节技术 10

1.4 能量存储电路和存储元件研究现状 11

1.4.1 能量存储电路的研究现状 11

1.4.2 能量存储元件的研究现状 12

1.5 压电俘能技术应用研究现状 13

1.6 当前研究存在的问题 16

1.7 本专著的主要研究内容 17

第2章 悬臂梁式压电俘能器的数学建模与分析 19

2.1 引言 19

2.2 压电效应及压电方程 19

2.2.1 压电效应 19

2.2.2 四类压电方程 20

2.2.3 压电单晶片与压电多晶片 21

2.3 单晶压电俘能器输出特性的基本数学描述 21

2.4 单晶片悬臂梁式俘能器的数学建模 24

2.5 不同形状双晶压电俘能器输出特性的基本数学描述 30

2.5.1 矩形压电俘能器的电压输出 30

2.5.2 梯形压电俘能器的电压输出 32

2.5.3 三角形压电俘能器的电压输出 34

2.6 双晶片悬臂梁式压电俘能器的数学建模 35

2.7 压电陶瓷材料的材料属性 37

2.7.1 PZT-5A的材料属性 37

2.7.2 PZT-5H的材料属性 38

2.8 悬臂梁式压电俘能器的数值分析 39

2.8.1 相关概念介绍 40

2.8.2 负载阻抗的分析 42

2.8.3 俘能器结构参数对发电能力的影响 48

2.8.4 压电晶体材料参数对俘能器的影响 51

2.9 本章小结 53

第3章 俘能电路的研制及悬臂梁式压电俘能实验 55

3.1 引言 55

3.2 压电储能电路设计 55

3.3 基于Buck-Boost变换的压电储能电路分析 57

3.3.1 Buck-Boost变换电路的工作原理 57

3.3.2 压电储能电路硬件设计 57

3.4 矩形、梯形及三角形悬臂梁式压电俘能器俘能实验 60

3.4.1 悬臂梁式压电俘能器的制作过程 60

3.4.2 矩形、梯形及三角形悬臂梁式俘能器俘能实验 62

3.4.3 矩形、梯形及三角形振子形状对发电能力的影响 63

3.5 末端带质量块的悬臂梁式压电俘能器俘能实验 65

3.5.1 激振加速度的标定 67

3.5.2 末端带质量块的单悬臂梁式压电俘能器的振型测试 67

3.5.3 末端带质量块的多悬臂梁式压电俘能器的振型测试 70

3.6 悬臂梁式压电俘能器的内阻抗测试 71

3.7 悬臂梁式压电俘能器能量采集实验 72

3.7.1 单悬臂梁式压电俘能器能量采集实验 73

3.7.2 多悬臂梁式压电俘能器能量采集实验 74

3.8 本章小结 76

第4章 固支梁压电俘能器宽频构型规划、仿真与实验 77

4.1 引言 77

4.2 固支梁压电俘能器的构型规划基本参数确定 77

4.2.1 固支梁压电俘能器构型规划的思路 77

4.2.2 固支梁压电俘能器基本参数的确定 78

4.3 固支梁压电俘能器的动力学仿真 78

4.3.1 固支梁压电俘能器模态分析 78

4.3.2 固支梁压电俘能器谐响应分析 81

4.4 单质量块固支梁压电俘能器调频设计及其振动模型 82

4.4.1 单质量块固支梁压电俘能器结构参数 82

4.4.2 单质量块固支梁压电俘能器模态分析 83

4.4.3 单质量块固支梁压电俘能器谐响应分析 84

4.5 固支梁压电俘能器宽频设计及其振动模型 84

4.5.1 多分段压电片多质量系统固支梁压电俘能器结构设计 85

4.5.2 多分段压电片多质量系统固支梁压电俘能器模态分析 86

4.5.3 多分段压电片多质量系统固支梁压电俘能器谐响应分析 87

4.6 十字型固支梁压电俘能器宽频设计及其振动模型 87

4.6.1 十字型固支梁压电俘能器结构参数 87

4.6.2 十字型固支梁压电俘能器模态分析 90

4.6.3 十字型固支梁压电俘能器谐响应分析 90

4.7 固支梁压电俘能器实验研究 91

4.7.1 实验平台的建立 92

4.7.2 固支梁压电俘能器的振型测试 93

4.7.3 固支梁俘能器能量采集实验 98

4.8 本章小结 104

第5章 钹型压电俘能器发电性能数学建模及开槽结构分析 105

5.1 引言 105

5.2 钹型压电俘能器发电能力数学建模 106

5.2.1 钹型压电俘能器发电性能数学建模 106

5.2.2 钹型压电俘能器发电性能的数值模拟 111

5.3 钹型压电俘能器有限元仿真分析 112

5.3.1 压电体有限元分析理论 112

5.3.2 结构参数对钹型压电俘能器性能的影响 114

5.3.3 开槽结构钹型压电俘能器发电性能仿真分析 116

5.3.4 钹型压电俘能器—存储电路的机电耦合作用仿真分析 120

5.3.5 黏接层应力分析 124

5.4 钹型压电俘能器发电性能的实验研究 127

5.4.1 压电发电振子的制作 127

5.4.2 钹型压电俘能器发电能力实验研究 128

5.4.3 开槽对钹型压电俘能器性能的影响测试 131

5.4.4 Buck-Boost电路参数对压电俘能器性能影响测试 133

5.5 本章小结 136

第6章 鼓型压电俘能器的振动特性及发电性能研究 138

6.1 引言 138

6.2 鼓型压电俘能器的受迫振动 138

6.3 鼓型压电俘能器发电性能研究 144

6.3.1 鼓型压电俘能器发电性能数学建模 144

6.3.2 鼓型压电俘能器发电性能的数值模拟 149

6.4 鼓型压电俘能器结构参数对其发电性能及谐振频率的影响 151

6.4.1 模型建立 151

6.4.2 仿真结果分析 152

6.5 鼓型压电俘能器…存储电路的机电耦合作用仿真分析 154

6.6 鼓型压电俘能器的振动特性及俘能实验研究 157

6.6.1 鼓型压电俘能器阻抗测试 157

6.6.2 鼓型压电俘能器的发电性能研究 159

6.7 本章小结 161

第7章 钹鼓复合型压电俘能器的研究 162

7.1 引言 162

7.2 复合型压电俘能器结构设计 162

7.3 钹鼓结构参数对钹鼓复合型压电俘能器性能的影响 163

7.3.1 模型建立 164

7.3.2 结构参数对钹鼓复合型压电俘能器输出电压的影响 165

7.3.3 结构参数对钹鼓复合型压电俘能器变形性能的影响 166

7.3.4 结构参数对钹鼓复合型压电俘能器谐振频率的影响 166

7.4 复合型压电俘能器与存储电路的机电耦合作用仿真分析 168

7.5 钹鼓复合型压电俘能器的实验研究 170

7.5.1 钹鼓复合型压电俘能器阻抗测试及变形性能研究 170

7.5.2 钹鼓复合型压电发电性能研究 172

7.6 压电俘能器的综合比较 174

7.7 本章小结 175

总结 177

参考文献 179