【摘 要】
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近年来,随着压电材料种类的日益丰富,采用柔性压电材料制作压电振子进行能量采集的压电俘能技术成为了国内外能源研究领域的前沿热点。本文基于压电基础理论,对一种柔性压电材料MFC(压电纤维复合材料)在弯曲摆动作用下的压电俘能机理展开研究,通过理论建模、仿真模拟以及实验探究等方法研究了柔性压电材料在弯曲摆动作用下的压电俘能机理,具体研究内容如下:首先,理论分析了悬臂梁柔性压电振子的四种工作模式及其压电输出
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近年来,随着压电材料种类的日益丰富,采用柔性压电材料制作压电振子进行能量采集的压电俘能技术成为了国内外能源研究领域的前沿热点。本文基于压电基础理论,对一种柔性压电材料MFC(压电纤维复合材料)在弯曲摆动作用下的压电俘能机理展开研究,通过理论建模、仿真模拟以及实验探究等方法研究了柔性压电材料在弯曲摆动作用下的压电俘能机理,具体研究内容如下:首先,理论分析了悬臂梁柔性压电振子的四种工作模式及其压电输出原理,建立了悬臂梁柔性压电振子俘能系统的数学模型,得出了影响柔性压电材料输出开路电压幅值大小的因素。进一步,仿真分析了弯曲摆动作用下横截面积、摆动角度、压电材料厚度、弯曲摆动速度等因素对柔性压电材料输出开路电压幅值的影响规律,并对其在弯曲摆动作用下的电势分布、应力分布及应变分布情况进行了分析讨论。其次,设计并搭建了“基于步进电机的柔性压电材料往复弯曲摆动实验台”和“基于单片机的实验平台步进电机驱动及控制系统”,实现了“柔性压电材料往复弯曲摆动实验系统”的整体实验功能。最后,利用设计搭建的实验系统对MFC在弯曲摆动作用下的俘能特性展开了实验研究。探究了摆动角度、弯曲摆动速度、基板厚度、横截面积、负载电阻等因素对其俘能特性的影响规律。实验结果表明,柔性压电材料MFC输出开路电压幅值随悬臂梁柔性压电振子弯曲摆动角度的增加而增大,当输出开路电压幅值达到最大值后,继续增加弯曲摆动角度其输出开路电压幅值不会产生明显变化;其输出开路电压幅值随MFC柔性压电材料横截面积的增加而变大;弯曲摆动速度及基板厚度对柔性压电材料MFC的输出开路电压幅值大小没有明显影响;用柔性压电材料MFC制成的悬臂梁柔性压电振子存在最优的负载电阻而使得其对外输出功率达到最大值。本文的研究旨在进一步总结探索在弯曲摆动作用下柔性压电材料的压电输出特性及其俘能规律,为采用柔性压电材料进行俘能研究的相关工作提供了一定的理论支持。
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