【摘 要】
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随着微电子技术和通信技术的广泛普及和应用,无线传感器和微电子器件的能源供给需求愈发显著。以传统化学电池为代表的供能设备由于其尺寸和重量、维修和更换、环境污染等问题,无法有效满足无线传感器网络长时间可靠供能的工作要求。在此背景下,以压电振动能量收集为代表的环境能量收集技术成为研究重点。本文在以往压电振动能量收集技术研究的基础上,针对低频范围和低激励水平下能量收集效率低的问题,在M形梁振动能量收集装置
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随着微电子技术和通信技术的广泛普及和应用,无线传感器和微电子器件的能源供给需求愈发显著。以传统化学电池为代表的供能设备由于其尺寸和重量、维修和更换、环境污染等问题,无法有效满足无线传感器网络长时间可靠供能的工作要求。在此背景下,以压电振动能量收集为代表的环境能量收集技术成为研究重点。本文在以往压电振动能量收集技术研究的基础上,针对低频范围和低激励水平下能量收集效率低的问题,在M形梁振动能量收集装置基础上,设计了新型非线性M形梁压电能量收集装置和新型屈曲式M形梁压电振动能量回收装置,并进行了相关的理论和仿真分析及实验研究。主要研究内容如下:1、基于压电振动能量收集技术的基本原理,分析研究了原有M形梁结构的集总参数模型与系统的等效动力学方程。2、在原有M形梁的基础上,提出了一种改进型M形梁压电振动能量收集装置,其通过附加外部磁铁在原系统中引入非线性磁力。建立了改进型M形梁压电振动能量收集系统的动力学模型,推导了该系统的机电耦合方程。利用Matlab软件进行仿真研究,分析了正弦扫频激励下的输出电压响应。并且,搭建了实验测试平台,分别试验了M形梁压电振动能量收集装置和改进型M形梁压电振动能量收集装置的输出性能。实验和仿真结果表明,引入外部非线性磁力可以拓宽M形梁振动能量收集装置的工作频带,并且随磁铁间距减小效果增强。相较于无附加磁铁系统,当磁铁与梁相距35mm和0.5g加速度激励时,附加磁铁系统的工作频带拓宽了32%。3、提出了一种新型屈曲式M形梁压电振动能量收集装置。基于双稳态非线性系统理论,建立了屈曲式M形梁和附加磁铁条件下屈曲式M形梁的系统动力学模型,分析了非线性外部磁力对双稳态系统非线性恢复力与势阱的影响。利用Matlab软件对屈曲式M形梁的动力学特性进行仿真研究,分析了正弦扫频外部激励条件下系统的输出电压响应。并且,搭建了实验平台,测试了屈曲式M形梁在正弦扫频激励下的动态响应,同时测试了改进型M形梁与新型屈曲式M形梁在连续恒定激励下的频率响应。实验和仿真结果表明,屈曲式M形梁压电振动能量收集装置在低加速度激励水平下可以有效地拓宽工作频带,具有更好的低频能量收集性能,同时提高了输出电压的幅值。此外,在附加磁铁条件下,非线性磁力的引入可以降低系统做阱间振荡的加速度阈值,当激励水平为0.15g时即可激发双稳态阱间振荡,这样使系统在超低频范围（<5Hz）和低激振水平上（0.3g与0.5g）有良好的输出响应。相较于无附加磁力屈曲式M形梁,当磁铁与梁相距40mm时,附加磁铁的系统工作带宽分别提升了12.7%与12.2%。
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