壓電俘能-儲能系統(tǒng)的非線性動力學行為分析與優(yōu)化.pdf

1、無線供能是現代傳感技術向微型化和集成電路化發(fā)展所需突破的“瓶頸”問題之一。在已有的幾類無線供能技術中,壓電俘能最具有發(fā)展前途,這是因為壓電材料天然的力電耦合效應,可以實現力學量與電學量之間相互轉換,并且其在轉換過程中的電能損耗極小。本論文針對壓電俘能技術這個多學科交叉問題,開展了大量的壓電俘能/儲能系統(tǒng)的非線性耦合作用及關鍵動力學行為研究,從整體角度對壓電俘能器進行了全局優(yōu)化,取得一系列創(chuàng)新性成果,具體體現在:
　　1.跨越結構分

2、析與電路設計等多個學科建立了關于壓電俘能/儲能系統(tǒng)的非線性耦合作用模型,重點研究了壓電結構在非線性電路開、閉路交替作用下的動力學性能,揭示了多時間尺度之間的相互作用規(guī)律以及電路影響壓電結構動力特性的作用機制,從而實現了壓電俘能器的整體分析和全局優(yōu)化。
　　2.揭示了外載型式和環(huán)境溫度對壓電俘能器性能的影響機制,提出了頻率控制與溫度補償策略,使得壓電俘能器具備環(huán)境適應能力。尤其是為了讓俘能器能從多頻環(huán)境振動中更有效地提取能量,我們提

3、出了具有變頻功能的壓電俘能結構,分析結果顯示:這種壓電結構從易變環(huán)境振動中所提取的能量可以達到沒有變頻功能壓電結構所獲能量的數倍之多。另外,還通過增設溫度補償層消除了壓電俘能器由溫度變化所引起的頻率漂移,計算結果表明通過適當設計器件層與補償層的厚度比就可以消除頻率漂移,從而保證了俘能結構的溫度穩(wěn)定性。
　　3.研究了在共振狀態(tài)下工作的壓電俘能器非線性特征,揭示了輸出電流和功率密度在共振附近的多值與跳躍本質,確定了外載與外負載等對壓

4、電俘能器非線性性態(tài)的影響規(guī)律。
　　4.研究了壓電結構表面電極對器件整體性能的影響機理,提出了兩種新穎的電極優(yōu)化設計方案,明顯降低了電極邊緣的應力和電場集中現象,從而大大提高了壓電俘能器安全可靠性。
　　本文突破了多個在壓電俘能技術綜合分析和實際應用中的重點難點問題,開創(chuàng)性地提出了多種性能遠超傳統(tǒng)俘能器件的新型壓電俘能器模型,得到了一系列適用于不同俘能器模型的優(yōu)化方法和結論。這些成果不僅對壓電俘能器整體性能的提升具有重要的指