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基于振动的压电材料的能量采集特性分析

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第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 压电材料研究进展及应用

1.3 压电能量采集技术研究现状

1.4 压电能量采集电路研究现状

1.5 压电能量采集技术应用的研究现状

1.6 本论文研究内容

第2章 压电能量采集的理论基础

2.1 压电效应

2.2 压电材料的性质

2.3 压电方程

2.4 压电能量采集的工作机理

2.5 压电振子的支撑形式

2.6 压电能量采集装置的激励方式

2.7 本章小结

第3章 悬臂型和圆柱型压电振子的有限元分析

3.1 有限元分析

3.2 压电振子的有限元分析

第4章 悬臂梁压电俘能装置能量采集的实验分析

4.1 引言

4.2 悬臂梁形压电能量采集装置的结构设计

4.3 悬臂梁压电能量采集装置的实验研究

第5章 圆柱式能量采集装置能量采集的实验分析

5.1 引言

5.2 圆柱式能量采集装置的结构设计

5.3 圆柱式压电能量采集装置的实验研究

第6章 压电材料的应用研究

6.1 引言

6.2 压电装置低压应用的测试——点亮二极管

6.3 压电装置高压应用的测试——为电流变材料供能的实验研究

6.4 压电—电流变减振器的设计

6.5本章小结

第7章 总结与展望

7.1 结论

7.2 工作展望

参考文献

致谢

附录(科研成果及参与项目情况)

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摘要

科技的发展带来了工业的巨大进步,同时也带来了环境的污染。车辆等交通工具的振动噪声、大型机械的工作噪声给人们带来了不舒适,严重影响了人们的健康。随着智能材料的研究与应用愈来愈广泛,压电材料和电流变材料,均有响应速度快、电控性能好、无电磁干扰的良好性能,在振动控制和减噪方面也引起了人们的重视。
  同时这些噪声作为振动能,也是一种再生的可利用能源。将空气中的振动能转化或收集并加以利用也成为科学家们的一个关注方向。压电材料将振动能转化成电能的功率虽然不高,但伴随着小功率器件的发展,功耗也不断降低,其在能量采集方面应用平台越来越多。本文研究了两种基于振动的压电材料的能量采集装置:d31式——悬臂梁型和d33式——圆柱型。在对两种类型压电振子有限元仿真的基础上,进行了能量采集装置的结构设计及实验分析。具体研究内容如下:
  1、总结了压电能量采集研究技术的现状,包括压电结构的研究、压电理论的研究、压电电路的设计,并推导了压电结构产生电压的一般表达式。
  2、利用有限元分析软件ANSYS对悬臂型和圆柱型压电振子进行了静态分析和模态分析,获得了两种压电振子的固有频率和振型,并研究了压电振子尺寸对结构和发电性能的影响。
  3、针对两种压电振子的振动形式分别为d31和d33,制作了两类不同的夹具体,从而组成了两种不同的压电能量采集装置,分别对它们的发电性能进行了实验性能测试。
  4、对两种形式能量采集装置的应用分别进行了研究。利用 d31式-悬臂梁型能量采集装置点亮二极管;利用d33式-圆柱型能量采集装置为电流变液供电,可以发现改变了电流变液结构,首次完成了压电材料为电流变材料供能的可视化实验验证。并设计了几种压电材料与电流变材料结合的自供能减振器。

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