摘 要

现如今，传感器网络、嵌入式系统以及微机电系统（MEMS）等技术正在迅速发展。传感器网络中的微型电子元件供能往往需要便于携带和自供能，能量采集器就是为了解决这类电子元件的供电问题而被科学家们研究并设计出来的。

本文首先就国内外压电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柔性压电能量采集器进行研究。主要研究内容如下：

（1）在压电方面进行了理论学习，包括正、逆压电效应，压电方程和其参数代表的实际意义。然后结合31模式，对压电片结构施加水平方向的正弦交变应力，使压电片产生弯曲变形，运用压电知识和动力学知识推导出该结构最终输出电压的表达式。

（2）在理论分析的基础上，运用有限元分析软件ANSYS压电模块，建立了正弦交变应力作用下压电片拉伸过程的仿真模型。通过改变压电片的结构尺寸进行仿真分析，得到表面尺寸因素对其输出电压和各阶固有频率的影响。在此基础上，对结构进行模态分析，得到从一阶到四阶的谐振频率和各阶的变化形态；对结构进行谐响应分析，得到正弦交变应力作用下结构的输出电压与频率的关系；对结构进行瞬态分析，得到一阶谐振频率下输出电压与时间的关系。

（3）设计出对压电片进行拉伸实验的模具图纸，并将其加工和组装成实体模型，完成测试平台的搭建。测试正弦交变应力作用下，柔性压电片的输出电压与振动频率和振幅的关系，并对实验结果进行分析，得到最佳振动条件下的最大输出电压值。

关键字：柔性；压电能量采集器；交变应力；拉伸实验；有限元仿真分析

Abstract

In recent years, sensor networks, embedded systems and micro-electromechanical systems (MEMS) and other technologies have developed rapidly. In the sensor network, the energy supply of electronic components often needs to be easy to carry and self-supply. In order to solve the power supply problem of these electronic components, the energy collector will come into being.

In this thesis, the research status of piezoelectric energy collection devices at home and abroad is expounded, and the types of piezoelectric materials, the structure of the collector, the vibration mode and the collecting circuit and devices are analyzed and compared. The main content of this thesis is to study the flexible piezoelectric energy collector.The main research contents are as follows:

(1) In the piezoelectric aspects of the theoretical study, including positive and negative piezoelectric effect, the piezoelectric equation and its parameters represent the practical significance. Then, in the combination of 31 modes, the sinusoidal alternating stress in the horizontal direction is applied to the piezoelectric film structure, and the piezoelectric plate is bent and deformed. The expression of the final output voltage of the structure is deduced by piezoelectric knowledge and kinetic knowledge.

(2) Based on the theoretical analysis, the finite element analysis software ANSYS piezoelectric module was used to establish the simulation model of the piezoelectric process under the sinusoidal alternating stress. The influence of the surface size factor on the output voltage and the natural frequency of each phase is obtained by changing the structural dimension of the piezoelectric plate. On the basis of this, the modal analysis of the structure is carried out to obtain the resonant frequency from the first order to the fourth order and the change form of each order. The harmonic response of the structure is analyzed to obtain the output voltage and frequency of the structure under the sinusoidal alternating stress The relationship between the output voltage and the time at the first order resonant frequency is obtained by transient analysis of the structure.

(3) Design of the piezoelectric film for the tensile test of the mold drawings, and its processing and assembly into a solid model to complete the test platform to build. The relationship between the output voltage of the flexible piezoelectric film and the vibration frequency and amplitude is tested under the action of sinusoidal alternating stress, and the experimental results are analyzed to obtain the maximum output voltage under the best vibration condition.

Key Words: Flexible; piezoelectric energy collector; alternating stress; tensile test; finite element simulation analysis

目录

第1章绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2压电式能量采集器研究进展 4

1.3论文主要研究内容 6

第2章压电及振动的理论知识 7

2.1压电理论知识 7

2.1.1压电效应 7

2.1.2压电方程 7

2.1.3压电模式 9

2.2压电能量采集模型受力分析 9

2.3本章小结 12

第3章压电模型的仿真分析 13

3.1有限元分析与ANSYS软件 13

3.1.1有限元法的基本概念 13

3.1.2有限元分析的求解步骤 13

3.1.3有限元分析软件ANSYS 13

3.2压电模型的有限元分析 13

3.2.1压电模型的结构设计 13

3.2.2仿真计算及结果分析 16

3.3本章小结 19

第4章测试平台搭建及实验 20

4.1测试平台搭建 20

4.1.1夹具的设计 20

4.1.2组装实验仪器 21

4.1.3压电片与衬底的粘接 22

4.1.4搭建标准电路 23

4.2交变应力频率对柔性压电采集器的输出电压影响实验 23

4.3负载电阻对柔性压电采集器的输出特性影响实验 26

4.4本章小结 31

第5章环境影响及经济型分析 32

5.1柔性压电能量采集器的环境影响分析 32

5.2柔性压电能量采集器的经济性分析 32

第6章总结与展望 33

6.1总结 33

6.2展望 33

参考文献 34

致谢 36

第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

21世纪的今天，科学技术的发展得到越来越多的关注，科技水平的提高带动百姓生活水平的提升。电子集成技术、计算机技术和微机电系统MEMS等得到飞速发展，微型电子器件在越来越多的领域受到广泛关注，特别是在医学设备和军事安全等方面。这些微型器件在工作时，只需要很低的电能消耗，但对相应的供电部件的要求却很高。传统的电池有诸多的局限性，比如体积和质量大，寿命短，储存能量有限，适用范围小等等。某些微型电子设备经常拆换电池也十分不方便，甚至需要不低的成本代价。因此，近年来许多科学家致力于研究将自然界中的广泛存在的能量转换为可以直接使用的电能为用电器供电。

从经济性和环保性的角度，能量采集器依靠自然界产生的振动能作为基本能量来源，通过自身形状的变化，将振动能转化为电能。由于其转换过程完全不依赖化学反应，故不会对破坏自然环境。不仅能源的来源可再生，而且其能够广泛应用于各种环境中。因此，研究并发展能量采集技术，对当代科学技术的进步、人民生活水平的提高和世界卫生环境的保护都具有极其重要的意义。