摘 要

目前，世界上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。在无电网地区，电池容量不能满足要求的情况下，只能通过利用太阳能、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。压电振动能量收集装置则可有效地解决这一问题。振动在日常生活中广泛存在，通常在振动过程中均伴随有能量输出，基于振动的 MEMS 压电能量收集装置便是将振动中的机械能转化为电能的装置，它可直接从环境中收集振动能为低功耗电子器件供能。该装置具有体积小、可持续供能等优势，具有非常广阔的应用前景。

首先，文章介绍了压电原理和压电方程，论述了压电材料的选取理由，接着，利用集总参数模型，建立了双晶压电片悬臂梁的数学模型，并进行代换，降解，最后得到输出位移和输出电压的一阶微分方程，在MATLAB中编写程序对其进行建模，得到了特定输入情况下的输出位移和输出电压图像。

之后，为了更进一步研究清楚双晶压电片悬臂梁的特性，保持悬臂梁的其他因素不变，只改变悬臂梁的长度，宽度，末端质量块质量，悬臂梁的等效质量，表征各个因素对于输出特性的影响。

最后，搭建实验平台，通过改变输入振动的频率、幅值，以及负载电阻，来观察压电片末端质量块对压电能量收集器的影响。实验结果与理论研究相吻合，并验证了前文的分布参数模型与集总参数模型的正确性。

关键词：双晶压电片，悬臂梁，能量收集，集总参数模型

Abstract

Currently, world energy shortage problem is getting worse. In addition to the power grid and batteries, the way to get power is relatively limited. In off-grid areas, when the battery capacity can not meet the requirements of the situation, the use of ambient energy such as solar energy, wind energy, the environment and other vibrational energy is the unique way to generate electricity in order to solve the power supply problem. Mechanical vibration is one of the wide range of the energy in the environment, the vibration in natural living and working environment almost everywhere, harvesting vibrational energy from the environment directly has a very broad application prospects for low-power electronic devices.

First, the article introduces the principle of piezoelectric and piezoelectric equations, discusses the reasons for selecting the piezoelectric material, and then using the lumped parameter model, the mathematical model of the cantilever bimorph piezoelectric sheet, and substitution, degradation, Finally get the output displacement and output voltage of the first-order differential equations, programming in MATLAB be modeled to obtain the output displacement and output voltage input image certain circumstances.

Then, in order to research the Characteristics of double-crystal piezoelectric cantilever sheet. we can only change the length ,width, the mass quality at the end, equivalent mass of the cantilever without changing any other factors. After that, we can find how every factor put an influence on output feature.

Finally, set up experimental platform, by changing the input frequency of the vibration and acceleration, to observe the effects of the end of the piezoelectric sheet mass piezoelectric energy harvester.The results coincide with the theoretical study and verify the correctness of the distributed-parameter electromechanical model and the lumped-parameter electromechanical model.

Keywords: Piezoelectric, energy harvesting, nonlinear, distributed-parameter model, lumped parameter model;

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2 MEMS及其驱动能源国内外发展 3

1.2.1 MEMS及其驱动能源 3

1.2.2 MEMS国外的发展情况 3

1.2.3 MEMS国内发展情况 4

1.3研究内容及每章内容 4

1.3.1 本文主要的研究目的与内容 4

1.3.2 每章概要 5

1.3.3 研究方法： 5

1. 4 研究意义 6

第二章 压电能量收集理论及悬臂梁结构建模 7

2.1 引言 7

2.2压电效应 7

2.3压电模式 8

2.4 压电方程 9

本章小结： 10

第三章：压电悬臂梁的建模及其输出特性分析 11

3.1 引言 11

3.2 悬臂梁模型力学分析 11

3.3双晶压电片的选择 12

3.4压电悬臂梁建模 14

3.5压电悬臂梁输出特性分析 16

本章小结： 22

第四章 实验平台的搭建和实验操作 24

4.1引言 24

4.2实验装置 24

4.3 实验仪器连接顺序 26

4.4试验的实施 27

4.4.1频率与输出电压关系 27

4.4.2 测量电阻和输出电压，电阻和实验数据的关系 32

4.4.3 测量输入电压的幅值与输出电压之间的关系 34

本章总结： 35

致谢 37

参考文献 1

第一章 绪论

1.1研究背景

目前，世界上能源紧缺问题一直受到人们的关注。人们在照明、日常家务、娱乐和交通中消耗的电能越来越多。然而，除了电网和蓄电池外，电能的获取途径相对有限。在无电网地区，电池容量不能满足要求的情况下，只能通过利用周围条件来发电才能解决电能供应问题。能量收集的概念：收集周围环境的光能、风动能和振动能等源源不断的能量，并将其转化成电能来给电子元器件供电^[1-2]。需要注意的是，本文涉及的能量收集技术^[3-4]区别于接入电网的太阳能电站、风电机，而是应用于弱电设备的能量收集技术。在一些高温、高湿度和腐蚀性的环境中，传感器需要特殊的结构保护，比如电线接触就是需要保护的环节。如果要提高传感器的应用可靠性，最好要避免电线接触，这意味着传感器不方便接入外界电源。利用电池给传感器供电的缺点在于电池的寿命有限，而且电池无法耐受高温。另外，在恶劣环境下的电池更换非常耗费人力、物力。航天飞机的热保护层、航空发动机的轴承、盘式制动器这些地方都是典型的恶劣环境，在这些环境中，有大量的热能、动能可以转换为电能。

最近几十年，有一系列的环境中的能量被利用了起来，例如光能、热能、风动能、振动能等源源不断的能量。其中，热电转化发电器、振动能量收集器^[5-8]、以及太阳能电池因为高功率密度、易获取、易于小型化等特点而被广泛研究。但是，热电转化发电机的控制性能很差，不适合利用于医疗设备中，热电转化发电机的功率密度也小于振动能量收集器和光能电池。从表1.1中可以看出，室外太阳能具有最高的功率密度，虽然太阳能电池已经是一项应用十分成熟的技术，但是室内太阳能的功率密度却极低。振动能的功率密度相对较高。具体的不同能量系统的回收密度如表1.1所示：