密閉容腔氣體載荷激勵下盤型壓電俘能器理論與實驗研究.pdf

1、氣動技術因具有高效、安全、低成本等優(yōu)點被廣泛應用于工業(yè)自動化生產等領域。由于氣動系統(tǒng)工況復雜、狀態(tài)參量多，往往需要采用多種傳感器對系統(tǒng)的壓力、流量、溫度及位置等參數(shù)進行實時數(shù)據(jù)采集與狀態(tài)檢測。為解決氣動系統(tǒng)傳感器供能的問題，本文將開展密閉容腔氣體載荷激勵下盤型壓電俘能器研究工作，利用壓電材料具有的結構簡單、能量密度高、易安裝等特點，研制適用于工業(yè)高壓氣體激勵環(huán)境的壓電俘能器。
　　論文分析了盤型壓電片在高壓氣體載荷激勵下的發(fā)電機理

2、，建立盤型壓電單晶片的數(shù)學模型，理論研究了雙模量壓電單晶片在高壓氣體載荷的作用下的撓曲形變，以及形變量與電能轉化的關系。通過ANSYS仿真軟件分析不同尺寸、厚度的盤型壓電片的發(fā)電特性。結合理論分析結果研究高壓氣體激勵下壓電俘能器原理型樣機的俘能特性。開展單腔壓電俘能器的設計，確定俘能器的結構和尺寸。然后搭建了實驗樣機電壓輸出特性測試系統(tǒng)，通過LabVIEW搭建軟件系統(tǒng)，對單腔壓電俘能器的輸出特性進行實驗研究與分析。
　　在單腔俘能

3、器的基礎上模擬復雜氣體載荷環(huán)境，開展渦流激勵壓電俘能器和交變氣體載荷下壓電俘能器的研究工作。理論分析渦流場形成機理，假設密閉容腔內部高壓氣體環(huán)境為剛性流動，通過建立數(shù)學模型分析渦流轉動慣量與存儲能量之間的關系，研究氣體速度矢量分布對缸筒壁面的慣性作用力，從而指導耦合容腔壓電俘能器的結構設計。仿真分析耦合容腔內部渦流形成規(guī)律及分布狀態(tài)。利用FLUENT流體仿真軟件對不同尺寸耦合容腔內部流場進行分析，設計耦合容腔實驗物理樣機并搭建實驗測試系

4、統(tǒng)，通過實驗手段研究不同渦流狀態(tài)下的壓電俘能特性，通過外接負載電阻分析俘能器電阻匹配關系，研究不同氣體參數(shù)對俘能器能量轉化效率的影響。實驗結果表明渦流可提高壓電俘能器能量轉化效率。
　　定質量分數(shù)氣體是密閉壓縮環(huán)境的一種特殊情況，通過建立壓縮容腔數(shù)學模型，理論分析氣體壓縮過程對壓電俘能器的影響規(guī)律，設計定質量分數(shù)壓電俘能器結構并加工實驗樣機，搭建實驗測試系統(tǒng)，研究俘能器的電能轉化特性。最后開展氣動工況下壓電俘能器實驗研究，設計氣動