第1章 概述 1
1.1 无线传感器节点自主供电需求 1
1.1.1 无线传感器网络技术发展与应用 1
1.1.2 物联网技术发展与应用 3
1.1.3 无线传感器节点低功耗技术进展 5
1.1.4 能量俘获技术发展与分类 7
1.2 压电式振动能量俘获系统概述 9
1.2.1 压电式振动能量俘获系统基本组成 9
1.2.2 压电式振动能量俘获关键技术分析 10
1.3 压电式振动能量俘获技术研究进展 10
1.3.1 从线性机理到非线性机理 10
1.3.2 从窄频带到宽频带振动能量俘获 11
1.3.3 从直线振动到旋转运动能量俘获 14
1.3.4 从常规压电发电结构到超材料结构 17
1.4 本书基本结构与主要贡献 19
1.4.1 本书基本结构 19
1.4.2 本书主要贡献 21
第2章 压电式振动能量俘获基础知识 22
2.1 引言 22
2.2 压电效应 23
2.2.1 压电陶瓷基本性能参数 23
2.2.2 正／逆压电效应 25
2.2.3 压电方程 26
2.3 压电式振动能量俘获结构形式 28
2.3.1 压电振子基本结构 28
2.3.2 压电振子振动模式 30
2.4 悬臂梁压电式振动能量俘获基本原理 31
2.4.1 悬臂梁压电发电机 31
2.4.2 压电式振动能量捕获接口电路 33
第3章 线性压电式振动能量俘获系统理论建模与分析 39
3.1 引言 39
3.2 悬臂梁线性压电式振动能量俘获系统集中参数建模 39
3.2.1 外接纯电阻 40
3.2.2 外接标准全波整流电路 42
3.2.3 外接并联同步开关接口电路 45
3.3 悬臂梁线性压电式振动能量俘获系统分布式参数建模 48
3.3.1 悬臂梁压电振子机电耦合行为分布式参数建模 48
3.3.2 谐波振动激励下悬臂梁压电振子分布式参数模型求解 51
3.4 不同形状悬臂梁压电振子振动发电行为分析 54
第4章 线性压电式振动能量俘获系统有限元建模与仿真 58
4.1 压电分析有限元仿真概述 58
4.2 线性悬臂梁压电发电机有限元建模 59
4.2.1 基于ANSYS的悬臂梁压电发电机有限元建模 59
4.2.2 基于COMSOL的悬臂梁压电发电机有限元建模 62
4.3 开路情况下线性悬臂梁压电振子仿真分析 66
4.3.1 悬臂梁压电振子静力学分析 66
4.3.2 悬臂梁压电振子模态分析 70
4.4 不同形状悬臂梁压电振子发电能力仿真分析 73
第5章 非线性压电式振动能量俘获系统理论建模与分析 75
5.1 引言 75
5.2 非线性压电式振动能量俘获系统通用模型及其求解 76
5.2.1 非线性压电式振动能量俘获系统通用模型 76
5.2.2 非线性压电式振动能量俘获系统数值计算算法 78
5.3 不同非线性参数对非线性压电式振动能量俘获系统特性的影响 80
5.3.1 非线性刚度系数的影响 81
5.3.2 非线性阻尼系数的影响 81
5.3.3 非线性压电耦合系数的影响 82
5.3.4 振动激励幅值的影响 83
5.3.5 负载电阻的影响 85
5.4 外加磁力非线性压电式振动能量俘获系统建模与数值计算方法 87
5.4.1 外加磁力非线性压电式振动能量俘获系统机电耦合模型 87
5.4.2 外加磁力非线性压电式振动能量俘获系统模型数值计算算法 88
5.4.3 外加磁力非线性压电式振动能量俘获系统的非线性势函数 89
5.5 基于混沌动力学的非线性压电式振动能量俘获系统宽频带条件 91
5.5.1 Melnikov理论简介 91
5.5.2 非线性压电式振动能量俘获系统的Melnikov状态空间模型 93
5.5.3 非线性增强压电式振动能量俘获系统宽频带机理 94
5.5.4 基于Melnikov函数的非线性压电式振动能量俘获系统宽频带必要条件 95
5.5.5 非线性压电式振动能量俘获系统宽频带必要务件数值仿真分析 98
第6章 非线性压电式振动能量俘获系统有限元建模与仿真 105
6.1 引言 105
6.2 外加磁力非线性压电振子有限元建模与网格划分 105
6.2.1 非线性压电振子参数化建模 106
6.2.2 非线性压电振子材料参数设置 107
6.2.3 非线性压电振子边界条件约束 108
6.2.4 非线性压电振子载荷施加 114
6.2.5 非线性压电振子网格剖分 115
6.3 非线性磁力拟合与施加 119
6.4 非线性压电式振动能量俘获系统响应仿真分析 122
6.4.1 开路条件下非线性压电式振动能量俘获系统输出电压的频响特性 122
6.4.2 外接负载电阻时非线性压电式振动能量俘获系统输出电压的频响特性 123
6.5 不同参数对非线性压电式振动能量俘获系统性能的影响仿真分析 124
6.5.1 磁铁间距的影响 124
6.5.2 悬臂梁压电振子几何尺寸的影响 125
6.5.3 负载电阻的影响 126
第7章 旋转运动非线性压电式能量俘获系统理论建模 128
7.1 引言 128
7.2 非线性旋转压电振子动力学分析 130
7.3 旋转运动非线性压电式能量俘获系统机电耦合模型 133
7.4 旋转运动非线性压电式能量俘获系统宽频带机理 134
7.4.1 旋转运动非线性压电式能量俘获系统Melnikov状态空间模型 135
7.4.2 旋转运动非线性压电式能量俘获系统宽频带形成机理 136
7.5 旋转运动非线性压电式能量俘获系统宽频带量化条件 138
第8章 旋转运动非线性压电式能量俘获系统仿真分析 142
8.1 旋转运动非线性压电式能量俘获系统数值计算方法 142
8.1.1 基于有限差分法的数值计算方法 142
8.1.2 基于龙格－库塔法的数值计算方法 143
8.1.3 两种数值计算方法比较 144
8.2 不同参数对旋转运动非线性压电式能量俘获系统特性的影响数值分析 145
8.2.1 旋转运动非线性压电式能量俘获系统势函数 146
8.2.2 单频旋转运动下不同参数对系统输出特性的影响分析 147
8.2.3 宽带旋转运动下不同参数对系统输出特性的影响 149
8.3 旋转运动非线性压电式能量俘获系统宽频带量化条件数值分析 157
8.3.1 无扰动旋转运动非线性压电式能量俘获系统的势函数 158
8.3.2 无扰动旋转运动非线性压电式能量俘获系统的同宿轨线 160
8.3.3 同宿分叉和混沌运动的Melnikov量化必要条件仿真 161
8.3.4 单频和宽频旋转运动时系统的输出特性 164
8.4 旋转运动非线性压电式能量俘获系统有限元仿真分析 167
8.4.1 基于COMSOL的旋转非线性压电振子参数化有限元建模 168
8.4.2 旋转非线性压电振子边界约束与载荷设置 169
8.4.3 宽带旋转运动下非线性压电俘能特性有限元仿真分析 170
8.4.4 单频旋转运动下非线性压电俘能特性有限元仿真分析 173
第9章 压电式振动能量俘获全系统耦合建模与仿真 176
9.1 引言 176
9.2 压电式振动能量俘获全系统等效电路耦合模型 178
9.3 基于Multisim的振动能量俘获全系统等效电路耦合模型仿真分析 181
9.3.1 自供电电子开关电路 181
9.3.2 基于Multisim的全系统等效电路耦合模型构建 183
9.3.3 基于Multisim的全系统等效电路耦合模型仿真分析 184
9.4 压电式振动能量俘获全系统有限元耦合模型 187
9.4.1 标准桥式整流接口电路等效阻抗推导 187
9.4.2 并联同步开关接口电路等效阻抗推导 189
9.4.3 全系统有限元耦合模型 190
9.5 基于COMSOL的振动能量俘获全系统有限元耦合模型仿真分析 192
9.5.1 基于COMSOL的全系统有限元耦合模型构建 192
9.5.2 基于COMSOL的全系统有限元耦合模型仿真分析 193
9.6 基于全系统耦合模型的并联同步开关接口电路关键参数全局优化 195
第10章 压电式振动能量俘获实验测试 197
10.1 引言 197
10.2 轴承实验台悬臂梁压电振子振动发电实验测试 197
10.2.1 轴承实验台与测试系统构建 197
10.2.2 矩形悬臂梁压电振子振动发电行为实验测试 199
10.2.3 不同形状悬臂梁压电振子振动发电行为实验测试 203
10.3 旋转运动压电振子振动发电实验测试 205
10.3.1 旋转实验台与测试系统构建 205
10.3.2 单频旋转运动时非线性压电振子振动发电行为实验测试 206
10.3.3 宽带旋转运动时非线性压电振子振动发电行为实验测试 209
参考文献 212