【摘 要】
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研制高能量转化效率的新型功能材料以及能量收集装置,发展新的环境能量收集技术以实现小型集成化电子装置能源自给,对于我国绿色能源利用、智能制造升级尤为必要。敏感于应变梯度的挠曲电效应广泛存在于介电材料中,具有绿色环保、无需预极化、对材料的结晶程度以及工作温度等均无特殊要求等优势,在驱动、传感、能量收集等领域具有广泛的应用前景。本文以挠曲电单晶悬臂梁结构为研究对象,通过结构动态特性分析挠曲电悬臂梁的结构
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研制高能量转化效率的新型功能材料以及能量收集装置,发展新的环境能量收集技术以实现小型集成化电子装置能源自给,对于我国绿色能源利用、智能制造升级尤为必要。敏感于应变梯度的挠曲电效应广泛存在于介电材料中,具有绿色环保、无需预极化、对材料的结晶程度以及工作温度等均无特殊要求等优势,在驱动、传感、能量收集等领域具有广泛的应用前景。本文以挠曲电单晶悬臂梁结构为研究对象,通过结构动态特性分析挠曲电悬臂梁的结构参数与负载电路对其能量转换效率的影响规律,研究提高其负载有效输出功率的途径,为挠曲电悬臂梁能量收集器设计和参数优化提供依据。具体研究内容如下:挠曲电材料试样制备与性能表征。采用固相法制备了钛酸锶钡(BaxSr1-xTiO3,简称BST)试样,实验测定了BST试样的基本物理参数;利用激振器、激光位移计、锁相放大器等设备构建了挠曲电特性实验测试平台,为BST试样的挠曲电系数测定、能量收集提供了实验技术基础。挠曲电悬臂梁能量收集器结构动态特性分析。基于考虑尺寸效应的吉布斯自由能密度函数以及Hamilton原理,建立了挠曲电悬臂梁结构的振动控制方程;借助于模态分析获得挠曲电悬臂梁结构的电压及功率频率响应函数;通过功率频率响应分析挠曲电悬臂结构的谐振频率。分析结果表明:负载阻抗与能量收集器内部阻抗匹配,环境激振频率接近结构谐振频率时,负载输出功率最高;负载电阻与结构实际谐振频率形成负反馈调节,将能量收集器最佳工况设计在频移极值之后,避免结构谐振频率偏离环境激振频率,有利于提高能量收集器俘获机械能的效率。挠曲电悬臂梁能量收集器输出功率受负载电路的影响。通过调整电路振荡与挠曲电悬臂梁振动相位差,增强电感储能能力,削弱换能元件逆挠曲电效应,客观上提高能量收集器的有效输出功率;测试BST悬臂结构在经典整流电路、同步电荷提取电路和并联同步开关电感电路下的负载输出功率。实验结果显示:同步电荷提取电路下BST悬臂结构负载输出功率约为2.69 nW,约为经典整流电路状态1.562 nW的1.72倍,并联同步开关电感整流电路下BST悬臂结构负载输出功率约为5.56 nW,约为经典整流电路状态的3.56倍。多源异相同步开关整流电路下能量收集器输出功率不受各换能元件相位差影响,避免了能量收集器产生的交流电能相互抵消,确保了多源异相能量收集系统的工作效率。最后,总结本文的研究工作,提出挠曲电悬臂梁能量收集器结构设计依据,并据此提出参数优化方案。
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