压电陶瓷驱动的振动能量转换与收集系统研究

本研究论文深入探讨了基于压电材料的振动能量采集技术，该技术主要应用于将机械振动转化为电能，以驱动电子设备，特别是在能源自给自足的应用领域。作者王强，专业固体力学，在江苏大学攻读硕士学位期间，由顾建祖和骆英两位导师指导，于2008年完成此课题。 论文首先介绍了压电材料的基本概念，它是机电耦合材料，能够实现双向能量转换，即机械振动转化为电能（正压电效应），以及电能转化为机械振动（逆压电效应）。压电能量收集系统就是利用这种特性，将环境中存在的振动能量转化为可用的电能。 研究的核心目标是通过压电片的应变产生微小电流，经过整流和DC升压电路转换为稳定的直流电压，进而为锂电池充电。压电装置产生的微弱电流不足以直接驱动DC升压电路，因此采用整流和超级电容储能的方式，以驱动后续的电力处理环节。 第二部分，论文利用Matlab软件对单个压电片粘贴在悬臂梁上的发电结构进行压电耦合分析，通过模拟不同频率的输入信号，探究了压电发电结构在恒稳态下的电压输出特性，为实验提供了理论基础。 第三部分，实际制作了纤维悬臂梁压电发电结构，并在随机振动环境下进行了测试，测量了电压和电荷量，这些数据为后续硬件电路的设计提供了关键参考。 第四部分，论文通过电路模拟软件OrCAD，设计了一套压电能量获取硬件电路，包括倍压整流电路、滤波电路、超级电容器、DC/DC升压电路和电源管理电路。这部分着重于如何处理压电材料产生的交流电，通过整流和滤波将其转化为脉动直流电压，然后通过Maxl678和Maxl811等芯片进行进一步的能量收集与储存。 论文的重点在于设计了一种悬臂梁式压电发电结构，通过持续激励信号产生交流电，通过整流和超级电容器的缓冲，实现电能的高效储存，为实现能量自给自足的微型设备供电提供了新的解决方案。这项研究对于可持续能源和微型电子设备的电源设计具有重要意义。