双稳态压电能源采集器的动力学理论与实验研究

The design of the energy harvester with the piezoelectric material is related to the research fields, such as dynamics, materials, electronic engineering and machinery, which is the research field of the multi-disciplinary cross. The characteristic of the piezoelectric effect for the material is used to generate the power, and the auxiliary structure is designed effectively. Research areas involved to the piezoelectric energy harvesting structure are dynamics and mechanical structure design. The introduction of nonlinear theory and method can improve the output voltage of the structure, and broaden the width of the output frequency of the structure in the field of dynamics. The bistable structure is a typical structure to improve the power generation efficiency of the piezoelectric energy harvester. There are also some structures and methods increasing the power efficiency in the machinery field. If we could put the theories and methods in the two intersecting fields together, the efficiency of the piezoelectric energy harvesters would be improved greatly. In this project, a new kind of the bistable piezoelectric energy collection structure is proposed. The bistable piezoelectric energy acquisition structure is combined into the multi-mode power structure, the broadband power structure and the frequency pump power structure. Three different kinds of nonlinear piezoelectric energy acquisition device are carried to the optimization design. Dynamic characteristics and the power generation mechanism of each piezoelectric energy collection structure are studied theoretically and experimentally. The key parameters to improve the power efficiency of the structure are analyzed. The result of this project will provide necessary theoretical and experimental support to further design the optimization structure of the piezoelectric energy acquisition device.

压电能源采集器是集机械、动力学、材料和电子等多学科交叉的一个研究领域；它是利用压电材料特有的压电效应，辅助有效的结构设计来实现自供电的目的。与压电能源采集结构有关的研究领域是动力学领域和机械结构设计领域，在动力学领域中，非线性理论和方法的引入，可以提高结构的输出电压和拓宽结构的输出频宽，其中双稳态结构是提高压电能源采集器发电效率的典型结构。在机械领域中，也有一些促进发电的结构和方法。如果能把两个交叉领域中的理论和方法结合起来，那么就可以大幅度地提高压电能源采集器的发电效率。该项目提出一种新型双稳态压电能源采集结构，并把双稳态压电能源采集结构与多模式促进发电结构、宽带促进发电结构、频率泵浦促进发电结构相结合，优化设计了三种非线性压电能源采集装置，理论和实验研究每种压电能源采集结构的动力学特性及发电机理，分析提高结构发电效率的关键因素。为进一步优化设计压电能源采集装置提供必要的理论与实验支撑。

压电能源采集器的研究是近年来国际上新兴的一个研究领域，是集力学、机械、材料和电子等多学科为一体的一个交叉研究方向。压电能源采集器的工作原理是利用材料的压电效应把周围环境中的振动能源转化为电能。与传统的光电转换和热能相比，环境中振动能量的转换效率相对较好。与压电能源采集结构有关的研究领域是动力学领域和机械结构设计领域，在动力学领域中，非线性理论和方法的引入，可以提高结构的输出电压和拓宽结构的输出频宽，其中双稳态结构是提高压电能源采集器发电效率的典型结构。在机械领域中，也有一些促进发电的结构和方法。本项目把两个交叉领域中的理论和方法结合起来，在压电能源采集结构的动力学模型、结构优化、提高能源采集器的发电效率等方面取得了一些创新性成果，从理论和实验两方面论证了系统的双稳态特性，在实验相图中发现的同宿轨道很好地解释了系统的双稳态势能曲线，理论和实验的研究结果非常吻合，解决了非线性压电能源采集器存在的两个科学问题，(1)提高了结构的输出电压和拓宽了结构的输出频宽；(2)最大限度地采集了环境中的振动能源，提高了结构的发电效率，实现了多谐采能。并在发展和完善压电能源采集结构的非线性振动理论研究和实验研究上获得了突破性研究成果，提出了一种新型双稳态压电能源采集结构，并把双稳态压电能源采集结构与多模式促进发电结构、宽带促进发电结构、频率泵浦促进发电结构相结合，优化设计了三种非线性压电能源采集装置，理论和实验研究了每种压电能源采集结构的动力学特性及发电机理，分析了提高结构发电效率的关键因素，对指导宽频能源采集器的设计，具有重要的实际应用价值和广泛的应用前景。本项目的研究成果对力学、机械以及电子等多学科发展都具有重要的学术价值和科学意义，在微型发电技术、能源采集技术、检测技术以及无线技术等工程领域都具有重要的应用前景和实际应用价值，对推动自供能科学技术的发展产生了一定的社会影响。