竹蜻蜓式方向自适应压电振动能量采集器研究

作     者：廖代超 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨旭

授予年度：2024年

学科分类：12[管理学] 083002[工学-环境工程] 1204[管理学-公共管理] 120402[管理学-社会医学与卫生事业管理(可授管理学、医学学位)] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 0837[工学-安全科学与工程] 

主      题：方向自适应 压电能量采集 电磁能量采集 复合能量采集 

摘      要：无线传感网络技术的飞速发展使研究人员对恶劣、复杂环境的监测更加的便利,但即便是功耗很低的传感器系统,也必须要应对能源补充的问题,而在一些复杂环境中,人工维护、更换供电单元无疑加大了工程的成本。针对这一问题,研究人员提出利用环境能量来为传感器节点供电,其中振动能量作为日常生活中一种常见的能量形式受到了广泛的关注。悬臂梁是捕获振动能量的一种常见结构,但传统的悬臂梁式压电能量采集器往往只对悬臂梁法向方向上的激励有较好的响应,而环境中的激励具有任意性,当激励方向与法向方向偏离较大时,采集器的工作效率会大大降低。因此,为了能使能量采集器在面对外界多变的激励方向时有良好的输出能力,本文受竹蜻蜓结构启发,提出一种方向自适应压电振动能量采集器并展开相关仿真和实验研究。同时,考虑到转动能量的有效利用,本文在方向自适应能量采集器结构的基础上,提出一种可以实现宽频和高能量输出的压电-电磁复合能量采集器结构。本文主要工作如下: (1)提出方向自适应能量采集器的创新结构方案。通过释放采集器悬臂梁的转动自由度,使采集器具有方向被动调整功能,应对复杂且方向多变的外界激励。结构采用竹蜻蜓式的倾斜布置的悬臂梁,在外界激励的作用下能为采集器转动提供驱动力。 (2)建立方向自适应能量采集器的拉格朗日动力学方程,使用龙格库塔法求解系统的振动和转动响应。开展方向自适应采集器在激励角度α=30°、梁倾角φ=30°参数下的仿真研究,研究采集器转动运动和振动运动的响应规律。仿真研究结果表明,在15.1Hz的激励频率下,采集器的转动响应曲线经过自适应阶段后稳定停留在90°位置,验证了采集器的方向自适应性,采集器的振动响应曲线变化规律则表明方向自适应采集器具有提高输出能量的能力。 (3)搭建自适应能量采集器实验平台,开展采集器方向自适应性能实验和误差实验。研究不同激励角度和梁倾角参数下采集器自适应过程中压电输出和角度信息的变化规律,验证采集器的方向自适应性能。开展方向自适应采集器与固定式压电振动能量采集器的对比实验,比较两种采集器在相同条件下的能量输出水平,验证自适应采集器提高能量输出的能力。开展误差实验,研究安装误差对方向自适应性能的影响。 (4)考虑到方向自适应能量采集器工作中伴随着转动运动,为了使转动能量得到有效的利用,将单梁的方向自适应能量采集器结构拓展成对称交错分布的双悬臂梁结构,提出一种可以实现压电-电磁复合能量采集的结构方案。制造复合能量采集实验样机并搭建复合能量采集实验平台,开展复合能量采集器能量采集实验,验证采集器在不同悬臂梁配置下的电磁和压电输出能力。开展复合能量采集与固定式能量采集器对比实验,验证复合能量采集器的宽频和高能量输出性能。