随机低频环境激励下压电俘能器研究

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近年来,低功耗无线网络传感器件在工业生产中得到了广泛应用。通常为这些传感器件提供电能的传统化学电池由于具有寿命短、体积大、需要定期更换、能量密度低以及污染环境等问题,难以满足快速发展的传感器件工业需求,因此越来越多的专家学者致力于研究从环境中直接俘获振动能并将其转换为电能的振动俘能器来替代化学电池,实现低功耗无线网络传感器件的能量自给。振动俘能器中的压电俘能器,由于其具有输出能量密度大、机电转换效率高、无需外部电源、结构简单、易于加工等优势,成为了振动俘能器领域研究最广泛的应用结构。传统的压电俘能器主要基于线性振动机理,其工作频带较窄、谐振固有频率较高,当结构的谐振频率与外界激励频率一致时输出达到最大,因此这种结构对外界环境激励频率具有很强的依赖性。而大部分俘能器的理论建模主要采用谐波激励模型来研究俘能器的输出响应。但是,事实上俘能器的实际工作环境激励具有随机性而且其分布频率通常较低。因此,针对实际环境激励的随机及低频特性,为了降低俘能器的谐振频率、提高俘能器的俘能效率、增强俘能器的环境适应性,本文分别采用改进压电结构、结合非线性技术及压电-电磁复合俘能机制、引入压电升频机理的方法,得到了双端固支梁式压电俘能器、非线性压电-电磁复合式俘能器以及非接触式转动升频压电俘能器。在俘能器的随机振动理论建模方面,为了准确预测在实际环境激励下俘能器的输出响应,从而为压电俘能器今后的发展提供指导意义,本文采用在频谱上均匀分布的随机高斯白噪声激励模型来代表一般具有随机特性的实际环境激励,针对特定的频带带宽限于一定范围的实际环境激励则使用随机色噪声激励模型进行模拟,而对于具体的实际环境中的随机低频转动激励,直接根据激励信号的随机分布特性进行研究分析,并针对设计的三种结构建立了随机振动理论模型,获得了创新性成果。结合理论分析、数值仿真和实验验证,得到了这三种结构在随机低频环境激励下的响应输出,为改善优化压电俘能器在实际环境激励下的输出性能提供依据。本文的主要工作及创新性研究如下:(1)在双端固支梁式压电俘能器进行压电结构改进从而使其输出性能在随机低频的环境激励下得到明显优化的基础上,利用阻抗的概念,基于随机高斯白噪声理想激励模型,创新地建立了双端固支梁式压电俘能器随机振动理论工作模型,结合Fokker-Planck理论求解了俘能器的随机激励响应解析表达式;通过仿真模拟及实验测试验证,分析得到存在最优压电片长度值使俘能器输出达到最大,同时,改变振动梁形状不仅能降低结构固有频率还能有效提高俘能器的响应输出。此外,平均输出功率随随机激励的加速度谱密度的增加而线性增加,并且压电负载值对双端固支梁式压电俘能器在随机激励下的输出性能有影响。(2)在结合非线性技术及压电-电磁复合俘能机制得到非线性压电-电磁复合式俘能器从而使其在随机低频的环境激励下实现固有频率降低而输出性能明显提高的基础上,利用阻抗的概念,分别在随机高斯白噪声、随机色噪声激励模型信号下,创新地将针对单一俘能机制俘能器的随机非线性振动理论推广并适用于非线性压电-电磁复合式俘能器。分别基于Fokker-Planck方程、Fokker-Planck近似理论,得到了随机高斯白噪声、随机色噪声激励下非线性复合式俘能器的非线性随机振动理论工作模型,并求解出平均输出功率的解析表达式。结合数值仿真及实验测试研究得出,在随机激励下压电、电磁负载会影响俘能器输出响应,而平均输出功率随激励加速度谱密度增大而线性增大。特别地,对于随机色噪声激励,俘能器的输出响应还和随机色噪声激励信号的中心激励频率及带宽密切相关,带宽越大,平均输出功率越大,并且在不同的带宽下中心激励频率与结构固有频率的最优比值也不同。(3)在直接针对俘能器实际环境中的转动激励并基于压电升频机理研制非接触式转动升频压电俘能器从而实现在随机低频环境激励下高效俘能的基础上,结合实际转动环境激励的随机分布特性,以随机风载引起的转动激励信号为例,创新地建立了在实际环境中随机转动激励下非接触式转动升频压电俘能器的随机振动理论工作模型,推导出平均输出功率的解析表达式。结合仿真模拟及实验测试结果,研究证明非接触式转动升频压电俘能器在随机低频的实际环境转动激励下能保证较高的平均输出功率,获得较好的俘能效果。另外,在随机风载导致的转动激励下非接触式转动升频压电俘能器的平均输出功率与压电负载值、激励磁铁与质量块磁铁间的距离相关。此外,当随机风致转动激励频率主要分布在1到10Hz范围内时,平均输出功率随随机风载的平均风速的增加而线性增加。
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