原创《宽频激励T双稳态压电振动发电机供电能力分析》：本论文主要论述了双稳态论文范文相关的参考文献,对您的论文写作有参考作用。
摘 要：为了探讨双稳态压电振动发电机在宽频激励下的供电能力问题,建立了宽频激励下双稳态压电振动发电机系统的动力学模型,仿真了双稳态压电振动发电机系统的输出响应特性和不同运动状态的输出电压特性,研究了双稳态压电振动发电机系统运行在高能量轨道上的激励条件,据此优化双稳态压电振动发电机结构参数,并对传感器网络节点的用电需求和双稳态压电振动发电机的供电能力进行分析.仿真和实验结果表明：双稳态压电振动发电机在宽频激励下,其输出平均功率为3.8 mW,能够满足实际振动环境下无线传感器网络节点的用电需求.
关键词：振动；宽频；能量收集；发电机；双稳态；动态响应
DoI：10.15938/j.emc.2016.07.003
中图分类号：TM619
文献标志码：A
文章编号：1007-449X（2016）07-0017-07
0.引言
振动能量广泛存在于桥梁、汽车、输电导线、电厂旋转设备等各种环境中,利用振动能量采集技术将环境中的振动能量转换为电能,不仅可以为无线传感器网络节点等低功耗的电子设备供电,还可以减小振动对周围环境中结构的损伤和破坏.但真实环境中振动的宽频特性和随机性使得传统压电振动发电机供电具有很大的局限性,当传统压电振动发电的频率和环境激励频率相差5%时,压电振动发电机几乎收集不到任何能量.双稳态压电振动发电机利用自身结构提供的非线性力,在宽频激励下的发电机系统产生跳跃现象,能极大拓展压电振动发电机的谐振带宽,提高宽频激励环境下的输出功率.
目前,双稳态压电振动发电机因具有较宽的谐振带宽特性而成了振动能量收集领域的研究热点.文献[9]利用一对磁铁为压电振动发电机提供非线性力,实现了宽频激励下的输出大幅响应,提高了压电振动发电机的谐振带宽；但只做了实验研究,没有对压电振动发电机运动的机理和本质特性进行分析.文献[10]建立了双稳态压电振动发电机系统的数学模型,分析了双稳态共振发生的频率条件和不同频率激励下的输出功率；但只考虑了弱周期激励下的频率变化情况,没有考虑激励幅值变化对输出电压的影响.文献[11]和[12]建立了磁力模型和压电悬臂梁发电机系统的集总参数模型,仿真了压电振动发电机的动态响应特性,并分析了频率变化和幅值变化对输出特性的影响；但文献中建立的集总参数模型有较大的模型误差,这对于输出功率原本不高的压电振动发电机在定量分析供电能力时所带来的误差将会更大.文献[13]研究了不同激励下双稳态振动发电机系统的非线性振动特性,从理论角度对压电振动发电机系统的幅值跳跃、多解现象进行了释疑；但未考虑激励的幅值阈值对输出特性的影响.振源的频率变化和幅值变化相互交织影响着双稳态压电振动发电机的输出特性和供电能力；而上述这些研究涉及这些方面的分析较少,尤其是针对实际宽频激励环境下的供电能力分析更少.
本文建立了带有修正参数的双稳态压电振动发电机的集总参数模型,通过数值方法仿真了压电振动发电机的输出特性和不同运动状态下的输出电压特性,研究了双稳态压电振动发电机在高能量轨道上运行的激励条件,并优化了压电振动发电机的结构参数,分析了双稳态压电振动发电机在宽频激励下的供电能力,为双稳态压电振动发电机的设计和实际应用提供了理论指导.
1.双稳态压电振动发电机的动力学模型
双稳态压电振动发电机的结构类型很多,其中,悬臂梁式双稳态压电振动发电机以结构简单、体积小、成本低、易于微型化等优点成为压电振动发电机主流结构,其结构如图1所示.该结构由支架A、金属悬臂梁B、压电陶瓷片P（PZT）、外部磁铁C和D组成.PZT压电陶瓷片粘贴在悬臂梁的根部,压电陶瓷片上引出的两个电极和外接负载电阻Rl,相连接.悬臂梁的长度、宽度、厚度分别表示为L、b、h,压电片的长度、宽度、厚度分别表示为Ll、bn、hp,磁铁C和磁铁D的间距为d,悬臂梁固定端到磁铁中心的距离为l,悬臂梁的质量为mb,压电片的质量为mn,外部磁铁质量均为mc.在振源的激励下,悬臂梁产生谐振而引起PZT压电陶瓷形变,依据压电效应而在压电陶瓷的两端产生电压,可将环境的振动能转换为电能.当两个磁铁的间距在合适位置时,悬臂梁式压电振动发电机表现为双稳态特性.
2.输出性能仿真分析和结构优化
2.1输出响应特性仿真分析
仿真所需参数取值为：n等于0.02,e31等于-5.35N/mV,双稳态压电振动发电机结构的参数如表1所示.为获得宽频激励下双稳态压电振动发电机的输出响应特性,分别以激励的频率变化和幅值变化为变量,采用数值方法求解状态方程式（12）,得到频率变化、幅值变化时的分岔图.
当无量纲激励幅值大于等于0.409时,系统能够产生大幅周期运动,如图2（b）～（d）,且从单个频率分岔图看,随着激励频率的增加,系统先后经历单阱内小幅周期运动、双阱间大幅周期运动、倍周期运动、双阱间大幅混沌运动,最后又回到单阱内做小幅运动.产生这种现象的原因是当激励频率较低时,系统获得的能量也较低,不足以跨越系统的幅值阈值,而只能在某一势阱内做小幅运动,此时双稳态压电振动发电机在低能量轨道上运行.随着激励频率的增大,系统获得足够的能量越过幅值阈值而产生大幅运动,此时双稳态压电振动发电机在高能量轨道上运行.而当无量纲激励幅值小于0.409时,如图2（a）,系统不能产生大幅周期运动,从单个激励频率分岔图看,系统在经历单阱内小幅周期运动后直接进入倍周期运动,然后进入混沌运动和单阱小幅运动.
分析图2可知,不论激励幅值大小如何,随着激励频率的增加,系统最终都又回到单阱内做小幅周期运动,这是因为激励频率增大的同时,系统的幅值阈值也在增加,当激励频率增大到一定值时,系统此时的能量又将低于新的幅值阈值,双稳态压电振动发电机又只能在势阱内做小幅运动.这表明系统发生大幅响应运动不仅有下限的激励频率阈值,而且还有上限激励频率阈值.
双稳态论文参考资料：
结论：宽频激励T双稳态压电振动发电机供电能力分析为适合不知如何写双稳态方面的相关专业大学硕士和本科毕业论文以及关于简单的双稳态开关电路论文开题报告范文和相关职称论文写作参考文献资料下载。
