阵列式柔性压电俘能器能量输出特性研究开题报告
2020-02-19 22:34:18
1. 研究目的与意义（文献综述）
1.1研究目的
近些年来，随着科学技术日新月异的发展，随着传感器和无线传感网络的发展，为解决长时间为这些系统提供持续工作的电能已成为一个难点和关键。 目前，这些器件和系统采用的是传统电池供电方式。 但电池存在一个普遍的问题就是能质比低，寿命短，更换难，难以满足当前微机电系统发展的需要。当前，微电子与微机电技术不断进步，微传感／驱动及其相关集成电路的能耗 越来越低，如无线传感器工作所需功率仅为10-1000mv；同时从周围环境中采集到的能量采集 源的能量密度较高，这使得利用能量采集技术从周围环境中俘能并为微／纳机电系统供能成为可能。将机械能转换为电能是常见的能量转换形式之一，并有电磁、压电和静电３种转换方式，其中压电转换 方式的力电转换性能好，受环境影响小，易于微型化，具有广阔的应用前景与现状。
能量采集器可以应用在不需要持续供能的设备上，具有以下特点：
（1）便捷，通过能量采集的能源，理论上供给寿命无限，避免了类似于电池充电等需要频繁更换的情况，使嵌入式系统和无线网络、微系统器件等寻找理想化的能源成为可能。
（2）节省能源。理论上环境中的光能、热能、运动能取之不尽，可以通过能量采集提高自然界中的能源利用效率。
（3）能量管理方便。使用能源采集技术，可以将采集的能量及时提供给电子器件作为运行动力，其能量密度无需过高，并且能够合理释放能量。
1.2研究背景与现状
（1）典型压电俘能器的俘能机理：
梁式结构的压电振子制作简单、操作方便、变形大，适用于振动源充分、载荷较小的环境，在载荷激励和夹持条件相同的条件下，可以俘获较多的能量。盘形压电振子具有更好的应力分布状态， 能够承受更大的外应力，可用于振动较为剧烈的环境中。梁式结构的压电振子可分为悬臂梁和简支梁，而盘形结构可分为周边固定式、简支固定式和中心固定式等。
①悬臂梁式压电俘能器：悬臂梁作为典型压电俘能器结构。悬臂梁振子受 力较小，谐振频率低，谐振效率很高，为了减小振动频率，通常在梁的顶端加质量 块，悬臂梁结构主要应用于谐振状态下。
图1.1 悬臂梁式压电俘能器
②简支梁式压电俘能器：简支梁是两边简支固定，可以扭转运动。这种结构的俘能器结构坚固、整体性好、 寿命长久，但是简支结构在俘能器的应用不多。
图1.2简支梁式压电俘能器
③周边固定式圆形压电俘能器：该结构的俘能器采用周边固定支撑，机电耦合系数极低，所需激振较大，可靠性好，因此得到了较为广泛的应用，如圆形压电振子发电机等。
图1.3周边固定式圆形压电俘能器
④简支固定式圆形压电俘能器：简支支撑即两端固定支撑压电振子，结构轻便、牢固，具有装置损耗低的优点，但是只适用于约束为水平或竖直方向的情况下。
图1.4简支固定式圆形压电俘能器
⑤中心固定式圆形压电俘能器：中心固定式即四周自由中间固定，这种方式可获得更大的振幅，有利于能量的采集，但是试验装置安装很麻烦，所以一般多用于压电泵，液压马达等腔体结构中。
图1.5 中心固定式圆形压电俘能器
⑥轴载式俘能器：收割机由一根薄金属梁组成，夹在两侧，夹在两块压电片之间。梁承受压缩静态轴向载荷p和横向动态激励ab（t）
图1.6轴载式俘能器
（2）压电材料的研究进展
常见压电材料有压电晶体、压电陶瓷、压电复合材料等，其的特点及应用如下：
①石英晶体：压电系数在几百度的温度范围内不随温度变化，常应用于振荡器和滤波器等频控元件。
②PZT 陶瓷：机电耦合系数高、温度稳 定性好、居里点高、脆性大常应用在在驱动器和传感器上应用普遍，但无法应用于应变较大的场合。
③PVDF：压电性强、柔性好、厚度 薄、重量轻、寿命长常用于液体、生物及气体换能器等领域。
（3）压电振子的振动模式
压电振子的振动模式大致分为三种:d31模式、d33模式和d15模式。理论上三种模式都能完成相应方向上的能量转换，但d15模式需要剪切应力的作用，而实际应用中剪切应力难以获得，故应用较少。d31模式作为最常用的连接模式，其耦合系数比d33模式要小，经常被用在压电悬臂梁结构中，该模型的结构简单、制造方便、谐振频率较低且振幅较大。图1.5(a)为d31模式，即压电元件的极化方向垂直于外加应力的方向;图1.5(b)为d33模式，即压电元件的极化方向与外加应力方向相同。压电振子的振动模式比较如表所示
图1.5 压电振子的振动模式
表1.1压电振子的振动模式比较
| 模式 | 特性 | 特点 | 应用 |
| d31 | 压电元件的极化方向垂直于外加应力的方向 | 结构简单、制造方便、谐振频率低、振幅大 | 压电悬臂梁结构，容易在低频环境中产生谐振 |
| d33 | 压电元件的极化方向与外加应力方向相同 | 耦合系数较大 | 应用于压电叠堆，在高频或大振幅下产生较多能量 |
（4）压电振子常见形式
压电振子的结构形式：梁式压电振子、圆盘式压电振子
图1.6带有质量块的悬臂梁几何模型
图1.7三层悬臂梁结构
图1.8四螺旋悬臂梁－质量块压电能量采集器
图1.9径向极化压电环金属环径向复合超声换能器
图1.10钹式换能器示意图
（5）能量回收电路的研究现状
①标准能量回收电路(SEH电路)
SEH电路是研究最早的能量收集电路。如图所示，电路结构简单，包括AC－DC功率转换器，二极管整流桥和一个滤波电容Cr。
图1.11 SEH电路
廖巍[12]等设计了针对压电振动能量采集器的标 准能量回收电路及其充放电电路。测试结果表明:压电振动量采集器的共振频率大约为76Hz，共振状态下的输出电压与振动加速度成线性关系。
②同步电荷提取电路( SECE 电路) Lefeuvre[15]等人设计了同步电荷存储技术。SECE电路是一种更为主动的能量收集方法，如图所示。在压电片两极依次连接全桥整流电路和升降压式DC－DC 电路，即在SEH电路后面接一个buck－boost DC－DC电路
图1.12 SECE 电路
③串联同步开关电感电路( S－SSHI 电路)
Lefeuvre[16]等在SSHI电路的基础上研究了串联SSHI技术，如图所示。压电晶体与整流电 路之间串联电感L和开关S，压电元件大部分时间也是处于开路的状态。
图1.13 S－SSHI 电路
④并联同步开关电感电路(P－SSHI电路)
Guyomar[17]等提出了基于电感的并联同步开关电感技术，如图所示。在S－SSHI 电路基础上，压电元件两端并联电感L和开关S。在该电路下，当压电俘能器的结构位移达到最大值或最小值时，通过闭合开关，使得电路形成LC振荡回路。
图1.14 P－SSHI 电路
杨帆[18]等基于并联同步开关电感电路，设计了一种单级的高效压电能量收集芯片。仿真结果显示:在相同激励下，该芯片收集的最大功率高达178.2μW，是传统AC－DC整流电路的10倍以上。
⑤双同步开关电感电路(DSSH电路)
在SECE和SSHI电路的基础上，Lallart等人设计了一种双同步的能量回收电路，如图所示。
图1.15 DSSH电路
孙子文[11]等人对DSSH电路的工作过程进行了分析，结果表明在最大功率和最优负载范围上优于单 级接口电路。为进一步实现工程应用，设计了一种Self－powered DSSH电路，并制作PCB板，实验证明该电路比标准电路的回收效率提高3倍，并且无需外接电源。
表1.2 能量回收电路特点和应用
| 电路类型 | 特点 | 应用 |
| SEH电路 | 结构简单，电压输出稳 定，但电容充放电外的电能不能被有效输出，再转化为振动能，阻碍振子振动 | 回收功率一般，根据应用场合可适当选用 |
| SECE电路 | 电路的回收功率恒定，平均回收功率是经典能量回收方法最优回收功率的四倍 | 控制电路的设计成为电路实现的难点 |
| S－SSHI电路 | 收集能量是传统回收电路的15倍，是同步电荷提取电路的3倍 | 对开关导通时间要求精确控制，才能保证电路有较大的回收功率 |
| P－SSHI 电路 | 收集效率最大，最佳匹配阻抗要大S－SSHI电路的最佳匹配阻抗四个数量级 | 开关导通时间要求精确控制，才能保证电路有较大的回收功率 |
| DSSH电路 | 电路最佳负载区间更宽，比SECE电路的输出功率更高，优势更明显 | 适用于低机电耦合状态，特别是适合为电池充电 |
1.3国内外研究方向及展望
(1)压电材料方面:目前广泛使用的PZT陶瓷存在着诸多缺点，限制了其广泛应用;而人工合成的新型压电复合材料和压电纤维材料具有更宽广等应用领域和更优越的电学性能参数，黄丹丹与陈勇[13]的关于压电纤维复合材料交叉电极的设计，利用更强的纤维纵向压电应变常数d33来实现更高的机电耦合，不仅具有更好的耐久性和柔韧性，同时输出具有频率响应高，动态反应快，承载大，性能稳定，不发热，不产生噪声及受外力干扰小等优点。
(2)回收电路方面:为了消除二极管造成的功率损耗，可以在目前的能量回收电路的基础上进行改进，使用开关进行同步整流;与双稳态压电振动相结合，寻找一种更加普遍的能量转换方法，以便俘获环境中的多种能量源,如孙子文等[11]对自供能压电振动能量回收接口电路优化设计研究、于歆杰，周新生等[19]基于非位移检测的串联同步开关电感电路的研究。
(3)应用方面:可利用压电俘能器制成各种应用器件，如哈尔滨工业大学的邓基坎[14]等人对于PVDF压电纤维及其织物的自感知性能研究即压电材料再健康监测传感器领域的应用研究、朱培等[20]对于移动车辆桥梁系统中的振动能量获取即桥梁传感器领域的研究、王颖[21]对于振动馈能式液压减振系统研究即车辆馈能减振器领域的应用研究。
(4) 目前国内外研制的压电能量收集装置的成本较高，输出的电能也十分有限，回收电能的成本远远高于工业应用的火电、水电和核电等。因此降低压电能量回收装置的制作成本，提高压电发电的经济性能将成为压电俘能器研究的重要内容之一。
2. 研究的基本内容与方案
2.1本研究的基本内容
（1）俘能器/能量采集器的基本分类、基本原理；压电原理、能量管理路工作原理；悬臂梁式和两端固定式能量采集器、弹性和柔性能量采集器的特性；明确不同种类俘能器的工作特性和能量输出特性。
（2）建立单个和阵列式两端固定柔性压电俘能器动力学数学模型：基于matlab和龙格库塔算法，实现柔性能量采集器动力学特性分析和压电能量采集器输出功率分析。
（3）设计阵列式柔性压电俘能器器件，运用solidworks设计实验夹具，配置阵列式压电俘能器整流电路，表征柔性俘能器输出电压、输出功率。
3. 研究计划与安排
第1-3周 通过查找国内外文献了解俘能器/能量采集器的基本分类、基本原理；压电原理、能量管理路工作原理；悬臂梁式和两端固定式能量采集器、弹性和柔性能量采集器的特性；明确不同种类俘能器的工作特性和能量输出特性。并完成外文文献翻译工作；
第4-6周 阅读论文期刊，以学位论文为主，期刊、会议论文为辅，学习solidworks，完成单个及阵列式两端固定柔性俘能器模型构建；确定阵列式柔性俘能器的具体布置方案。
4. 参考文献（12篇以上）
[1]masanar,daqaq m f. response of duffing-type harvesters to band-limited noise[j]. journal of sound and vibration, 2013, 332(25): 6755-6767.
[2]余远根，祝元坤，郑学军，等．不同边界条件下d15模式压电俘能器的俘能性能［j］．压电与声光，2016，38(1):99－105．
[3]董新博，刘海鹏，陈林雄，等． 双端磁耦合式压电振 动俘能器结构设计［j］．压电与声光，2017，39( 5) : 711－716．
