《高能效自調頻壓電俘能技術研究》是依託廈門大學，由關明傑擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：高能效自調頻壓電俘能技術研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：關明傑
- 依託單位：廈門大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
大多數基於振動的俘能器都採用彈簧質量阻尼結構並使該結構的共振頻率與俘能器周圍環境振動的頻率一致。只要這兩個頻率存在很小的偏差，俘能器的效率就會顯著降低。在實際套用中俘能器周圍環境振動頻率通常是在一定範圍內變化，極大地影響了俘能器的效率。本課題提出一種新型的自調頻壓電俘能技術，使得俘能器結構的共振頻率可以根據周圍環境的振動頻率自動調整。課題以懸臂樑結構來解釋該技術，其技術特點體現在三個方面：第一是高能效的調頻結構，梁結構由基本梁和與基本梁按一定方式耦合的分散式壓電片構成，改變任一壓電片的電場邊界條件即可改變梁結構的共振頻率；第二是高的材料利用率，所有的壓電片都在作為電場邊界條件驅動元件的同時可作為俘能元件；第三是低能耗的測頻技術，從感測器輸出去分析頻率變化的方向，目的在於降低頻率檢測系統的複雜性和能耗，提高淨俘能。本課題的研究成果將大大提高壓電俘能器在實際工程中套用的可能性和適應性。
結題摘要
研究表明，當壓電俘能裝置處於共振狀態時，壓電材料的形變數達到峰值，因壓電效應而產生的電能輸出同時達到峰值。本項目提出了可調頻技術，使壓電俘能裝置在一定頻率寬度內均能處於共振狀態，拓寬了壓電俘能器的工作頻率，大大提高了壓電俘能器的套用範圍。 本項目的主要研究內容包括： A. 建立高能效的梁結構和電場邊界條件驅動方式。 B.開發微功耗的頻率檢測方法。 C.研究低能耗的控制器及精確閉環調頻方案。 本項目的主要研究結果及意義 關於研究內容A,運用理論力學、振動力學等知識對懸臂樑壓電雙晶片的固有頻率進行了理論分析和推導，求得懸臂樑一階固有頻率與各尺寸參數和材料屬性的關係式，並從該俘能結構出發，提出了四種可用於可調頻的假想結構，分別為d31貼片式結構、d31嵌入式結構、d33壓電片結構和d33壓電柱結構。對以上四種結構進行ANSYS有限元分析，仿真不同結構下壓電元件處於不同的電場邊界條件得出各自不同的剛度特性表現。根據仿真結果搭建實驗平台測試仿真結果，通過統籌改變壓電片邊界電壓條件實現壓電懸臂樑固有頻率的改變。研究結果表明，結果表明使用d31嵌入式結合形式可以比使用d31表面貼上式結合形式得到更高的頻率變化率，頻率相對變化率可達4.42%。使用d33壓電柱結合形式可以比使用d31嵌入式結合形式得到更高的頻率變化率，頻率相對變化率可達28.59%。這部分結論和方案可以進一步進行推廣，對實現壓電懸臂樑自調頻有重要意義。 針對研究內容B，我們設計了一套與之相對應的頻率檢測系統來對壓電懸臂樑間歇進行有效的頻率檢測。在檢測系統中，我們採取的方案是：使用霍爾元件做為感測器，將壓電懸臂樑自由端的位移量轉化為電壓量輸入到控制器中。頻率檢測範圍為20 ~ 200 Hz，檢測精度為 0.2 Hz。該頻率檢測方案可以推廣到其他領域，該頻率檢測軟體部分已申請軟體著作權。 針對研究內容C，我們採用微功耗控制器在間歇工作方式下實現微功耗，通過開閉壓電片兩端的電子開關改變其電場邊界條件可實現頻率調節，將多個壓電片電場邊界條件編寫成與頻率對應的狀態控制碼儲存到控制器中，當外界頻率改變時，通過閉環實施對應狀態控制碼使壓電懸臂樑重新回歸到共振狀態。 在項目執行過程中，也開展了一些原計畫沒有列入的工作，針對新型可調頻結構壓電俘能器輸出能量進行了測量，針對壓電輸出電壓特點提出了DCM模式下的Boost電路，能高效的整
