摘 要

随着社会的高速发展，能源紧缺问题越来越严重。除了电网和蓄电池外，电能的获取途径相对有限。新能源的发展也越来越重要，各式能源也层出不穷。压电能也是在这一背景下被研发出来。随着压电材料的日益优化，压电转换效率的提高，压电能量的应用也日益广泛。

本文研究的是压电材料的正压电效应，即将机械能转化为电能，并对电能进行存储。主要是通过压电片的应变产生电流，并通过整流电路等将其转化为直流电流，并将其存储在电容里。其具体分为以下部分：

1）压电陶瓷是压电材料中的主要材料，基于压电的工作原理，建立压电悬臂梁的物理模型，再将其转化为数学模型，得出其机电耦合模型。根据压电方程得出集总参数模型的机电耦合方程，通过MATLAB软件使用龙格库塔算法处理运行这个方程，得出理论上的输出电压等。

2）使用ORCAD软件，模拟采集、存储电路的运行，分析几种电路的运行优劣，得出最优电路，并仿真分析电路中各参数的影响。

3）在实验室里建立压电悬臂梁的模型，并组装采集与存储电路，通过实验验证仿真的结果。

本论文采用的压电式悬臂梁的结构是将悬臂梁固定在激振器的夹座上，通过激振器施加一个振动，相当于固定端不动，但它的自由端会受到一个正弦应变的激励，使悬臂梁产生正弦振动，从而得到一个交流电流，再通过整流桥的整流作用使其变为单相电流，并将其存储在电容里。

关键词：压电效应，压电方程，能量采集，悬臂梁，能量存储，能量采集电路

ABSTRACT

With the rapid development of modern society, the energy shortage problem is becoming more and more serious. People rely on energy becoming more deeply. The development of new energy is becoming important. All kinds of new energy is also emerge in endlessly. Piezoelectric can also be developed under this background. Along with the increasing optimization of piezoelectric materials and the fast increase of piezoelectric conversion efficiency, piezoelectric energy application is increasing widely.

This paper studies the positive piezoelectric effect of piezoelectric materials, that is mechanical energy conversion into electrical energy so that the electrical energy can be stored. The current strain produced mainly by piezoelectric patches, through the rectifier circuit is transformed into direct current, and store it in a capacitor. The concrete is divided into the following parts:

1) Piezoelectric ceramic is the main material in piezoelectric materials. Based on the principle of piezoelectric, physical model of piezoelectric cantilever beam is established. Then translate them into mathematical model, that is concluded that the electromechanical coupling model. Based on the piezoelectric equation of lumped parameter model of the electromechanical coupling equation are obtained, through the MATLAB software using one algorithm for its name is Runge Kutta processing run this equation, it is concluded that theoretical output voltage.

2) Using the ORCAD software, analogizing the operation of acquisition and storage circuit, analysis several kinds of the advantages and disadvantages of the electric circuit, it is concluded that the optimal circuit. And through the simulation analysis，we can get the influence of the parameters in the circuit.

3) Piezoelectric cantilever beam model is established in the Laboratory, then assembly acquisition and storage circuit. Simulation results are verified through the experiment.

The design of piezoelectric cantilever beam structure in this paper is through placing a vibration in the fixed end on the cylinder. That is equivalent to a fixed end in situ. But making the piezoelectric element on the free end produces alternating current by a sinusoidal resilience and transforming it into direct current by rectifying circuit. Finally we store it in a capacitor.

Keywords: Piezoelectric effect, piezoelectric equation, the energy collection, cantilever beam, energy storage, energy acquisition circuit

目 录

第1章 绪论…………………………………………………………………………...1

1.1前言 1

1.2振动能量 1

1.3压电能量采集技术的应用与研究现况 2

1.3.1国内研究状况 2

1.3.2国外研究状况 3

1.4 本文的研究的内容 4

1.5本章小结 4

第2章 压电悬臂梁…………………………………………………………………..5

2.1压电效应与原理 5

2.2压电材料 6

2.2.1压电材料的种类 6

2.2.2压电材料的性能参数 7

2.3压电方程 8

2.4压电发电装置 10

2.4.1压电悬臂梁 10

2.4.2振动动模式 10

2.4.3支撑方式 10

2.4.4激励源的激励方式 12

2.4.5压电发电装置的物理模型 12

2.5 本章小结 16

第3章 能量采集与存储电路的研究……………………………………………..17

3.1压电片的电路等效模型 17

3.2桥式整流电路 17

3.3滤波电路 19

3.4存储电路 20

3.5几种简单电路 21

3.5.1标准电路 21

3.5.2并联电感电路 23

3.5.3串联电感电路 24

3.6优化后的电路 26

3.7电路中主要元件参数的优化 27

3.7.1电感的影响 27

3.7.2滤波电容的影响 28

3.7.3滤波电阻的影响 29

3.7.4存储电容的影响 30

3.7.5负载的影响 31

3.8本章小结 33

第4章 实验及认证…………………………………………………………………35

4.1实验准备 35

4.2压电式悬臂梁的设计 36

4.3实验 38

4.4实验总结 41

5.1结论 42

5.2展望 43

参考文献……………………………………………………………………………..44

致 谢…………………………………………………………………………………46

第1章 绪论

1.1前言

目前，电力问题日益严重。除了电网和蓄电池外，电能的获取途径相对有限。人们也越来越离不开电，而传统的发电方式所消耗的能源属于不可再生资源，例如火力发电需要的煤炭、核电所需要的核燃料等资源也变得越来越少。为解决这个问题，新能源等的研究也越发的重要。现如今，比较成熟的发电方式有通过利用太阳能、风能、环境振动能等环境能量来发电才能解决电能供应问题。^[1]。

随着低功耗电子设备迅速发展和社会对新能源的迫切需求，能量收集系统已经成为一个重要的研究领域，但低功耗设备的能量供给方式的比较特殊,如能量供给装置的尺寸要求越小越好，系统的能量消耗很小等，而常规的供电方式电池供电其电量受电池的大小影响，而电池电量又受其尺寸影响，电量有限。并且有些微功耗设备布局不集中，有的甚至布局在偏僻的地方，有的安装在不可拆卸的地方，使得更换电池非常困难 ^[2]。

而在可再生能源里，太阳能和风能等的应用已经很广泛了，但是这几种能量运用在微功耗设备上也都有着或多或少的缺陷，如太阳能需要有光照的地方，风能也需要有强风的环境中，他们都或多或少的受到地理条件和环境的制约。此外，它们也都需要外在的充电电路^[3]。