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第1章 绪论1

1.1 引言1

1.2 环境振动能的三种转换形式1

1.3 压电俘能器国内外研究现状4

1.3.1 压电材料4

1.3.2 压电俘能器的工作模式6

1.3.3 单晶与双晶压电技术7

1.3.4 俘能振子的结构形式8

1.3.5 压电俘能器的频率调节技术10

1.4 能量存储电路和存储元件研究现状11

1.4.1 能量存储电路的研究现状11

1.4.2 能量存储元件的研究现状12

1.5 压电俘能技术应用研究现状13

1.6 当前研究存在的问题16

1.7 本专著的主要研究内容17

第2章 悬臂梁式压电俘能器的数学建模与分析19

2.1 引言19

2.2 压电效应及压电方程19

2.2.1 压电效应19

2.2.2 四类压电方程20

2.2.3 压电单晶片与压电多晶片21

2.3 单晶压电俘能器输出特性的基本数学描述21

2.4 单晶片悬臂梁式俘能器的数学建模24

2.5 不同形状双晶压电俘能器输出特性的基本数学描述30

2.5.1 矩形压电俘能器的电压输出30

2.5.2 梯形压电俘能器的电压输出32

2.5.3 三角形压电俘能器的电压输出34

2.6 双晶片悬臂梁式压电俘能器的数学建模35

2.7 压电陶瓷材料的材料属性37

2.7.1 PZT-5A的材料属性37

2.7.2 PZT-5H的材料属性38

2.8 悬臂梁式压电俘能器的数值分析39

2.8.1 相关概念介绍40

2.8.2 负载阻抗的分析42

2.8.3 俘能器结构参数对发电能力的影响48

2.8.4 压电晶体材料参数对俘能器的影响51

2.9 本章小结53

第3章 俘能电路的研制及悬臂梁式压电俘能实验55

3.1 引言55

3.2 压电储能电路设计55

3.3 基于Buck-Boost变换的压电储能电路分析57

3.3.1 Buck-Boost变换电路的工作原理57

3.3.2 压电储能电路硬件设计57

3.4 矩形、梯形及三角形悬臂梁式压电俘能器俘能实验60

3.4.1 悬臂梁式压电俘能器的制作过程60

3.4.2 矩形、梯形及三角形悬臂梁式俘能器俘能实验62

3.4.3 矩形、梯形及三角形振子形状对发电能力的影响63

3.5 末端带质量块的悬臂梁式压电俘能器俘能实验65

3.5.1 激振加速度的标定67

3.5.2 末端带质量块的单悬臂梁式压电俘能器的振型测试67

3.5.3 末端带质量块的多悬臂梁式压电俘能器的振型测试70

3.6 悬臂梁式压电俘能器的内阻抗测试71

3.7 悬臂梁式压电俘能器能量采集实验72

3.7.1 单悬臂梁式压电俘能器能量采集实验73

3.7.2 多悬臂梁式压电俘能器能量采集实验74

3.8 本章小结76

第4章 固支梁压电俘能器宽频构型规划、仿真与实验77

4.1 引言77

4.2 固支梁压电俘能器的构型规划基本参数确定77

4.2.1 固支梁压电俘能器构型规划的思路77

4.2.2 固支梁压电俘能器基本参数的确定78

4.3 固支梁压电俘能器的动力学仿真78

4.3.1 固支梁压电俘能器模态分析78

4.3.2 固支梁压电俘能器谐响应分析81

4.4 单质量块固支梁压电俘能器调频设计及其振动模型82

4.4.1 单质量块固支梁压电俘能器结构参数82

4.4.2 单质量块固支梁压电俘能器模态分析83

4.4.3 单质量块固支梁压电俘能器谐响应分析84

4.5 固支梁压电俘能器宽频设计及其振动模型84

4.5.1 多分段压电片多质量系统固支梁压电俘能器结构设计85

4.5.2 多分段压电片多质量系统固支梁压电俘能器模态分析86

4.5.3 多分段压电片多质量系统固支梁压电俘能器谐响应分析87

4.6 十字型固支梁压电俘能器宽频设计及其振动模型87

4.6.1 十字型固支梁压电俘能器结构参数87

4.6.2 十字型固支梁压电俘能器模态分析90

4.6.3 十字型固支梁压电俘能器谐响应分析90

4.7 固支梁压电俘能器实验研究91

4.7.1 实验平台的建立92

4.7.2 固支梁压电俘能器的振型测试93

4.7.3 固支梁俘能器能量采集实验98

4.8 本章小结104

第5章 钹型压电俘能器发电性能数学建模及开槽结构分析105

5.1 引言105

5.2 钹型压电俘能器发电能力数学建模106

5.2.1 钹型压电俘能器发电性能数学建模106

5.2.2 钹型压电俘能器发电性能的数值模拟111

5.3 钹型压电俘能器有限元仿真分析112

5.3.1 压电体有限元分析理论112

5.3.2 结构参数对钹型压电俘能器性能的影响114

5.3.3 开槽结构钹型压电俘能器发电性能仿真分析116

5.3.4 钹型压电俘能器—存储电路的机电耦合作用仿真分析120

5.3.5 黏接层应力分析124

5.4 钹型压电俘能器发电性能的实验研究127

5.4.1 压电发电振子的制作127

5.4.2 钹型压电俘能器发电能力实验研究128

5.4.3 开槽对钹型压电俘能器性能的影响测试131

5.4.4 Buck-Boost电路参数对压电俘能器性能影响测试133

5.5 本章小结136

第6章 鼓型压电俘能器的振动特性及发电性能研究138

6.1 引言138

6.2 鼓型压电俘能器的受迫振动138

6.3 鼓型压电俘能器发电性能研究144

6.3.1 鼓型压电俘能器发电性能数学建模144

6.3.2 鼓型压电俘能器发电性能的数值模拟149

6.4 鼓型压电俘能器结构参数对其发电性能及谐振频率的影响151

6.4.1 模型建立151

6.4.2 仿真结果分析152

6.5 鼓型压电俘能器…存储电路的机电耦合作用仿真分析154

6.6 鼓型压电俘能器的振动特性及俘能实验研究157

6.6.1 鼓型压电俘能器阻抗测试157

6.6.2 鼓型压电俘能器的发电性能研究159

6.7 本章小结161

第7章 钹鼓复合型压电俘能器的研究162

7.1 引言162

7.2 复合型压电俘能器结构设计162

7.3 钹鼓结构参数对钹鼓复合型压电俘能器性能的影响163

7.3.1 模型建立164

7.3.2 结构参数对钹鼓复合型压电俘能器输出电压的影响165

7.3.3 结构参数对钹鼓复合型压电俘能器变形性能的影响166

7.3.4 结构参数对钹鼓复合型压电俘能器谐振频率的影响166

7.4 复合型压电俘能器与存储电路的机电耦合作用仿真分析168

7.5 钹鼓复合型压电俘能器的实验研究170

7.5.1 钹鼓复合型压电俘能器阻抗测试及变形性能研究170

7.5.2 钹鼓复合型压电发电性能研究172

7.6 压电俘能器的综合比较174

7.7 本章小结175

总结177

参考文献179