摘 要

近年来，传感器网络、嵌入式系统以及微机电系统（MEMS）等技术发展迅速。传感器网络中的电子元件供能往往需要便于携带和自供能，为解决这类电子元件的供电问题，能量采集器便应运而生。

针对以上问题，本文首先就国内外压电振动能量收集装置的研究现状进行了阐述，对压电材料的类型、收集器的结构、振动模式以及收集电路和器件做了分析比较。本文的主要内容是针对宽频压电能量收集装置结构设计以及结构优化进行研究。在现有的宽频压电能量装置中选取采集能量较强的结构，通过建模仿真验证阵列式压电振子在拓宽频率带宽方面极具优势，并对其结构进行优化，将优化后的结构进行有限元分析和电路仿真，以得到实用的宽频压电振子。

本文采用有限元分析软件ANSYS压电模块建立了阵列式压电振子的仿真模型，分析压电振子的结构对其输出特性的影响并加以改进，确定使用梯形压电振子。分析模型的结构尺寸对其一阶固有频率、谐振电压以及频带宽度的影响，便于对压电振子的结构进行优化，确定阵列式压电振子的结构尺寸。对改进后的模型进行静力学分析，观察其变形情况，应力及位移的分布情况；模态分析，观察其在一阶到四阶的变化形态；谐响应分析，获得谐振电压以及带宽。

本文主要对阵列式压电振子进行了优化，优化后的结构的一阶固有频率为23.67Hz,谐振电压为27.5mV，拓宽带宽为6Hz。

关键字：压电；宽频；能量采集器；阵列式；ANSYS；单悬臂梁

Abstract

Recently,the sensor network,embedded system and microelectromechanical system (MEMS) has developed rapidly.The electronic conponents of the sensor network usually needs to be self-energized and easy tobe carried.To solve these problems,the energy collector was invented.

According to the above problems, this dissertation investigated the development trend of the piezoelectric vibration energy harvesting at home and abroad firstly, and then anaylized the types of the piezoelectric materials,the structures of the devices,the vibration mode and harvesting circuits and strorage devices and compared them.The main content of this article is in view of the broadband piezoelectric energy collection device structure design and structure optimization studying.Select stronger structure of gathering energy in existing broadband piezoelectric energy device.Through modeling and simulation to prove that the array type piezoelectric vibrator has advantage in broadening the frequency bandwidth.And optimized the structure.Then simulate and analysis the new structure to get a broadband piezoelectric vibrator.

In this paper,piezoelectric module is established by finite element analysis software ANSYS simulation of array type piezoelectric vibrator model.Analysis the structure of the piezoelectric vibrator on its output characteristic and improve it.Make sure to use the trapezoidal piezoelectric vibrator.To make it easy to optimized the structure of the piezoelectric vibrator,we have to analysis the variety of the first order natural frequency,harmonic voltagr and frequency bandwidth caused by the structure size. Then statics analysis,model analysis and harmonic analysis has been done.Statics analysis of the improved model is to observe its deformation,stress and displacement distribution.The model analysis is to observe its change in first to the fourth order form.The harmonic response analysis is to get the harmonic voltage and bandwidth.

This article mainly discusses the array type piezoelectric vibrator is optimized,structure of the first order natural frequency of 23.67Hz,harmonic voltage of 27.5mV,broadening the bandwidth is 6Hz.

Keywords: piezoelectric; broadband; energy collector; the array type; ANSYS; single cantilever beam

目录

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2宽频压电振动能量采集器的国内外研究现状 1

1.2.1国内研究现状 2

1.2.2国外研究现状 5

1.3论文主要研究内容 6

第2章 压电及振动的理论知识 8

2.1压电理论知识 8

2.1.2压电效应 8

2.1.3压电方程 9

2.2压电能量收集模型分析 16

2.2.1压电振子的支撑方式 17

2.2.2悬臂梁压电振子收集模型分析 19

2.3本章小结 24

第3章 阵列式矩形压电振子的仿真分析 25

3.1有限元分析与ANSYS软件 25

3.1.1有限元法的基本概念 25

3.1.2有限元分析的求解步骤 25

3.1.3有限元分析软件ANSYS 25

3.2单悬臂梁压电振子的有限元分析 26

3.2.1单悬臂梁压电振子的结构设计 26

3.2.2长度对单悬臂梁压电振子的影响 28

3.2.3固定端宽度对单悬臂梁压电振子的影响 29

3.2.4基层厚度对单悬臂梁压电振子的影响 30

3.2.5压电层厚度对单悬臂梁压电振子的影响 32

3.2.6单悬臂梁压电振子的仿真分析 34

3.3阵列式压电振子的有限元分析 36

3.4本章小结 40

第4章 阵列式梯形压电振子的仿真分析 41

4.1单悬臂梁梯形压电振子的有限元分析 41

4.1.1结构尺寸对单悬臂梁梯形压电振子的影响 41

4.1.2单悬臂梁梯形压电振子的仿真分析 43

4.2阵列式梯形压电振子的有限元分析 45

4.2.1阵列式梯形压电振子静力学分析 46

4.2.2阵列式梯形压电振子的模态分析 46

4.2.3阵列式梯形压电振子的谐响应分析 49

4.3本章小结 49

第5章 总结 50

5.1总结 50

5.2创新点 50

参考文献 51

致谢 55

第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

近些年，传感器网络与MEMS技术迅速发展^[1]，传统的无线传感器件通常依靠电化学电池来供能，然而随着复杂的系统集成技术的迅猛发展，传感网络中的电子元件往往要求具有能够自主供能并便于携带的特性。为获得长期甚至是无限期的能够自供电的系统，各国学者开始试图探索从环境收集能量来为器件供电^[2-4]。

在电子器件的工作环境中存在着光照、振动、温度梯度或气液压等等无穷尽的资源中收集能量^[5]。而其中以机械振动在生活中最为普遍，如将这些能量加以合理的收集利用就可以替代传统电池。近年来，以机械振动能量的收集与转换的能量采集装置的设计逐渐成为热点，由机电转换原理，能量收集器主要分为磁电式^[6]、压电式^[7]以及静电式^[8]3大类。磁电式能量采集结构依据电磁感应定律即以磁场的变化将机械能转化为电能。它不要求初始电量，但不易通过MEMS实现，且能量密度以及输出电压都很低。静电式能量采集装置通常采用平行板电容器，其原理是由振动使两个极板的相对位置发生变化从而使电容量发生变化。这样的能量采集方式能够在非共振频率的环境下工作，易与MEMS兼容，方便微小化，易于低频率振动，输出电压较高。但是，其结构比较复杂，要求有初始的极化电荷或是电压。压电式振动能量收集装置依据压电材料的压电效应，使振动产生的机械能转化为电能。比较而言，压电发电拥有结构简单、输出功率大、无电磁干扰、清洁环保和易于实现机构的集成化等诸多优点，引起了研究人员的广泛关注并成为当前国际研究的热点问题^[9-12]。