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1、压电振动能量采集器的关键技术和实验研究目 录一、课题研究的背景和意义二、国内外关于该课题的研究现状三、课题研究内容（包括研究目标、内容、拟突破的难题、创新、写作计划）四、论文组织结构五、参考文献六、进度安排一、论文选题的背景v随着电子科学和材料科学的不断进步，以压电材料为核心的能量转换器不断向着集成化、微型化、低功耗的方向发展，并广泛应用于微机电系统(MEMS)、无线传感网络(WSN)和物联网。然而，在微机电系统和无线传感网络中，传统的电化学电池存在的弊病(体积大、寿命短、环境污染等)却变得越来越明显，这就不能长期的满足微电子器件的能量需求，而在医疗领域中可能会带来灾难性后果，例如心脏起搏器忽
2、然无法正常工作。v另外，对于那些部署在恶劣环境中的无线传感器节点，一旦电池耗尽无法工作，将会影响整个系统的效率，而为其更换电池几乎是不可能的。因此，开展新的供能技术研究己成为当务之急 ，本论文将要研究的压电振动能量采集器是解决该问题的有效办法之一，这也是为什么选择此课题的原因。二、论文选题的意义v众所周知，大自然中主要有太阳能、风能、水能、机械能等能量存在。其中机械振动在日常生活中随处可见，如：汽车行驶时以及人们走路时对路面的挤压，压电振动能量采集器就是将生活中存在的机械能通过压电转换将其转换为电能。压电振动能量采集器在采集的过程中具有环保、无电磁干扰、高能量密度、功耗低等优点，工作时不需要额
3、外消耗的能源，是传统电化学电池的最佳替代品。v由于能量采集器收集的是交流信号，为了能够给后续的电子器件供电，需要将其转换为直流信号，而不同的转换形式对电路的转换效率有较大的影响，因此，研究不同形式的AC-DC接口电路具有非常重要的理论和应用价值，这也是本论文开展压电振动能量采集器关键技术研究的出发点。国内外研究现状v为了解决微机电系统的供能问题，国内外学者设计了多种不同结构的压电振动能量采集器，结果表明悬臂梁式能量采集器采集效果更加理想，在悬臂梁的尺寸方面，华南理工大学何学文等人研究了压电振子结构参数对谐振频率和发电能力的影响，为以后设计悬臂梁式压电振动能量采集器提供了机构依据。浙江大学郭帅等
4、人通过对cymbal 型压电发电装置的研究提高了压电能量的回收效率。cymbal型发电装置具有大弯曲形变、等效压电常数大、承载能力高等特点 。国内外研究现状vK.Yuse等人设计了一种能量自给的基于压电式能量回收系统的健康监测系统，其中一部分压电片用来收集悬臂梁振动时产生的能量并传播信号，另一部分压电片用来接收信号，可以实现能量自给的无线发射器国内外研究现状vFeenstra等人设计了一种“悬挂式负重的”背包，在人们步行时，背包会往复的做上下运动，利用压电材料便会产生电能，该背包的设计有效地帮助了地质科学家、野外工作者和救灾人员在供电不方便的偏远地区进行工作。三、课题研究内容v1、研究了压电振
5、动能量采集器的基础理论v2、单频压电振动能量采集器的设计与性能分析v3、宽频压电振动能量采集器的设计与性能分析v4、宽频压电振动能量采集器的AC-DC接口电路的理论模型v5、 AC-DC接口电路的工作原理和电路优化设计v6、实验平台搭建和结果分析四、文章的组织结构第1章 绪论1.1 研究背景及选题意义1.2 国内外研究进展1.4 本文主要研究内容和组织结构第2章 压电振动能量采集器的基础理论2.1压电材料2.2压电效应2.3 压电方程2.4 压电能量采集器结构2.5 本章小结四、文章的组织结构第3章 压电振动能量采集器的模型和特性分析3.1 压电振动能量采集器结构分析3.2采集器有限元机电耦合
6、模型与分析 3.3运动微分方程及其解分析3.4本章小结第4章压电振动能量采集器的转换接口电路与研究4.1能量回收系统的理论模型 4.2标准能量回收电路 4.3同步开关电感能量回收电路4.4能量回收电路的仿真 4.5 本章小结四、文章的组织结构第5章 实验结果与分析5.1 实验平台搭建5.2 宽频压电振动能量采集器的实验结果分析5.3 AC-DC接口电路的实验结果分析5.4 本章小结第6章 结论与展望6.1结论6.2 展望参考文献v1 XUE H, HU Y T, WANG Q M. Broadband piezoelectric energy harvesting devices using
7、multiple bimorphs with different operating frequencies J. IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics, and Frequency Control, 2008, 55(9): 2014-2108.v2TANG X D, ZUO L. Enhanced vibration energy harvesting using dual-mass systemsJ. Journal of Sound and Vibration, 2011, 330(21): 5199-5209.v3马惠铖. 压
8、电效应以及压电材料的研究J. 科技资讯, 2010, 30:119 v4王光庆 展永振 金文平，等. 一种宽频压电振动能量采集器的解析模型与试验研究J. 机械工程学报，2015, 6(6):155-164 v5 TANX X D, ZUO L. Enhanced vibration energy harvesting using dual-mass systems J. Journal of Sound and Vibration, 2011, 330(21): 5199-5209 v6 Platt S. R., Farritor S., Haider H. On low-frequency
9、electric power generation with PZT ceramics IEEE /ASME Trans. Mechatronics, 2005, 10: 240-252. v7 Jiang S., Li X., Guo S., et al. Performance of a piezoelectric bimorph for scavenging vibration energy Smart Materials and Structure, 2005, 14: 769-774. v8魏双会，褚金奎，杜小振. 压电发电器建模研究. 传感器与微系统, 2008, 27(6):27-30 五、参考文献六、 写作计划
