半电极含金属芯压电纤维能量收集研究与优化设计

【摘要】现代社会计算机互联网技术与无线传感器网络技术快速发展,各种无线设备的广泛应用,使得为无线设备提供稳定安全的能源成为科学家们研究的热点。如今市场上无限设备的电源器件主要是化学电池。但是化学电池一般含有强酸或强碱溶液,还含有重金属元素,使用回收不当将会污染环境。这些缺陷使化学电池在未来的应用受到限制。故而在某些领域,以压电效应原理为理论基础的压电能量收集装置将取代化学电池,逐渐成为研究重点。压电能量收集装置的核心部件是装置内部的压电结构。目前最常用压电结构是压电悬臂梁晶体片结构。但是随着压电能量收集装置的广泛使用,已存在的一些悬臂梁晶体片结构不能满足压电能量收集装置在各种场合的使用。因而各种特殊高效的压电结构被设计分析。故本文主要根据压电振动收集原理,分析研究一种半电极含金属芯的压电纤维结构,分析该纤维结构的能量转化效率并对纤维结构加以优化设计。半电极含金属芯压电纤维是一种圆柱形结构的压电纤维。纤维中心是圆柱形金属芯,金属芯外层包裹着等厚度的压电材料,再在压电材料外层一半的表面上镀上一层薄金属膜。半电极含金属芯压电纤维作为悬臂梁结构使用时,其轴向长度远远大于纤维半径。本文中通过施加作用力于纤维一端,分析纤维的弯曲振动。根据纤维结构求出纤维的能量转换效率的方程。文中通过改变纤维能量转化效率方程参数(内径比、柔度比和耦合系数),分析出纤维能量转换效率跟随各个参数的变化趋势,求出可以得到最高的能量转化效率的纤维参数。本文采用能量分析的方法建立了半电极含金属芯压电纤维在末端作用力下的能量转换模型,针对金属芯半径为常数和纤维半径为常数两种情况优化设计了变截面的压电纤维,并与常截面压电纤维的能量转换性能进行了比较。仿真并对比得出最优化分析。
【作者】单鑫；
【导师】汪小华；
【作者基本信息】中国科学技术大学，检测技术与自动化装置，2014，硕士
【关键词】能量收集装置；压电效应；悬臂梁；半电极含金属芯压电纤维；

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