1. 研究目的与意义（文献综述）

随着无线技术和低功耗电子器件如微机电系统（mems）技术的不断发展，对便携式电子设备和无线传感器的需求正在迅速增长。虽然，在设计小型化和自给式电子器件方面的科技进步已经使得低成本和低功耗的传感器网络成为现实，但是它们的实际应用却受到电力需求的严重限制。由于这些设备是便携式的，因此它们必须自己携带电源。然而，在大多数情况下，这种电源是传统的化学电池。由于电池的质量大、体积大、存储容量有限、能量密度较低并且需要定期更换或充电，因此使用电池可能会带来许多问题。例如，对于便携式电子设备而言，更换电池是一项困难而又繁琐的任务；对于无线传感器来说，这些装置可能放置在非常偏远的地方，如桥上的结构传感器或野外动物的全球定位系统（gps）跟踪设备，当电池完全耗尽时，必须取回传感器并更换电池。由于这些设备的远程安置，仅仅为了更换电池而取回传感器是一项成本高昂的任务，甚至是不可能的。例如，在民用基础设施应用中，通常需要嵌入传感器，使得更换电池不可行。
为了克服电池技术的缺点，近些年来开发了各种能量收集方法，其主要目标是通过开发智能结构以实现器件的自供电，在任何给定地点利用环境中的可用能源产生电能。在过去的十几年中，科研人员在能量收集领域已经进行了大量的研究，相关的学术论文和原型产品不断涌现，涵盖了从基本原理到工业应用的方方面面。同时，能量收集器已经广泛应用，包括用于结构健康监测的分布式传感器节点、用于医疗的嵌入式或植入式传感器节点、为大型系统的电池充电、为汽车轮胎压力监测系统供电、为无人飞行器供电以及为家用安全系统供电等。
环境中可以的能源包括振动能、风能、磁能、光能、声能、温度梯度以及水流等。根据功率大小以及输出阻抗，通过微处理器控制，可以将产生的电能直接利用或存储到存储介质中，如直接替代电池给电子器件供电或给电池充电以延长电源的寿命。太阳能、风能和温差供能技术由于受到自然条件的限制而难以广泛使用。例如，在室外，太阳能可以提供15 mw/cm3的功率密度，约比其他能源高出两个数量级，非常适合为室外的无线传感器网络供电。然而，在室内，太阳能并不是一种有力的能源，因为室内的光能功率密度降低为10～20 uw/cm3，难以实现在2 cm2或者更小的面积上收集能量。而振动能量源，尤其在工业环境中，具有很好的应用前景。工作环境中的噪声或振动能几乎无处不在且具有较高的能量密度，因此解决微电子产品供能问题的一个有效的方法就是研究一种俘能器能直接从微电子器件工作环境中俘获振动能量并为其供能。
振动能量收集的一般方法包括：电磁式、电容式（又称静电式）和压电式。电磁系统中，磁体相对线圈运动，线圈中产生感应电流，类似于发电机。电容系统中，通过改变电容极板间距从电容中抽取电荷。使用这种系统时，收集器还需要用于提供电荷的电压源。压电系统中，材料的机械应变引起表面电荷，振动载荷引起交变电压。
压电式振动能量收集器，也称压电俘能器。与其他能量收集装置相比，它不需要额外电源，可采用悬臂梁等简单机械结构，易与微机电系统兼容，能量密度较高。因此，利用压电材料将环境中以振动形式存在的机械能转换为电能已经成为能量收集中使用得越来越多的一种方法。压电材料具有一种晶体结构，能够将机械应变能转换成电荷，反之，可以将施加的电势转换成机械应变。这种特性为这些材料提供了从周围环境中吸收机械能的能力，通常是环境振动，并将其转化为电能，为其他装置供电。
纵观国内外压电能量收集领域的研究现状，压电能量收集器的研究主要集中在以下几个方面：压电材料的选择、压电振子结构的设计、能量收集接口电路的设计和储能元件的选择等。
（1）压电材料的选择
压电材料是压电振动能量转换的核心功能材料，是制备高性能压电能量收集器的关键。常用的压电材料主要有弛豫铁电单晶(如pmn、pzn、pmn-pt、pzn-pt、pmn-pzt)、压电陶瓷(如锆钛酸铅，即pzt)、压电纤维(如pfc，mfc)、压电聚合物[如pvdf，p(vdf-trfe)]和压电复合材料(如0-3型和1-3型的pzt-pvdf)。

压电陶瓷是振动能量收集器中应用最广泛的压电材料。早在1969年，美国就有一项专利提出利用一种小型压电悬臂梁收集人体心脏跳动时产生的能量。1998年mit媒体实验室的研究人员利用pzt和pvdf制作了压电发电鞋，如图1（a）所示。stephen r.platt将pzt材料置入骨科植入物中，在正常的生理活动下，压电陶瓷产生些许电能，研究表明总体积为1.2cm3的三片压电陶瓷在轴向力的作用下可产生4.8mw的输出电能。pisharody harikrishan用pzt材料设计了发电地毯，如图1（b）所示。吴建远利用pzt材料收集人体能量，设计了一套人体能量收集系统，采用该系统覆盖于膝盖，可在人行走过程中产生电能，适合为假肢或其他便携式医疗设备充电，如图1（c）所示。

（a）发电鞋 （b）人体能量收集穿戴设备

2. 研究的基本内容与方案

研究内容：
本文从压电材料的本构方程出发，基于hamilton型泛函，建立两端固定柔性压电俘能器的动力学理论模型，并利用分离变量法和龙格库塔算法，求解动力学方程，获得开路电路的输出电压公式。然后，引入了桥式整流电路，将俘能端与储能端有机地耦合在一起，建立了系统的集总元件模型。本文的研究内容和具体安排如下：
第一章主要介绍了压电俘能器的研究背景和意义，从压电俘能器的结构、能量收集接口电路和压电材料的选择等方面对其国内外的研究现状进行了详细阐述。
第二章从压电材料、压电效应和压电方程三个方面对压电俘能器的工作原理进行了讲解，并介绍了压电俘能器的两种工作模式（d31模式和 d33模式）以及两种机电模型（集总参数模型和分布参数模型）。
第三章是压电俘能器的动力学分析和仿真。基于hamilton型泛函，建立两端固定柔性压电俘能器的动力学理论模型，并利用分离变量法和龙格库塔算法，求解动力学方程，获得开路电路的输出电压公式。然后，在matalb中对其进行数值模拟，分析了俘能器的输出性能。通过ansys有限元仿真，验证了动力学理论模型的准确性。
第四章是压电俘能的集总元件建模和仿真。通过引入桥式整流电路，将俘能端与储能端有机地耦合在一起，建立了系统的集总元件模型。然后，在multisim中进行了电路仿真，表征了柔性压电俘能器的输出功率。

第五章对全文进行了总结，并对压电俘能器今后的研究工作和发展前景进行了展望。

研究目标：
1.基于hamilton型泛函，建立两端固定柔性压电俘能器的动力学理论模型，利用分离变量法和龙格库塔算法，求解动力学方程，获得开路电路的输出电压公式。
2.基于俘能器的整流电路，建立集总元件数学模型。

3. 研究计划与安排

进度安排表

时间	工作内容	论文撰写
2月—— 3月中旬	1. 查阅相关中外文献 2. 完成外文文献翻译工作 3. 了解压电原理、集总元件建模原理，能够区别悬臂梁式和两端固定式能量采集器、弹性和柔性能量采集器的区别	第一章 绪论
3月中旬— 4月下旬	1. 学习基于matlab的数值分析 2. 熟悉压电能量采集器的本构方程 3. 基于Hamilton型泛函，建立两端固定柔性压电俘能器动力学理论模型 4. 基于matlab软件，利用分离变量法和龙格库塔算法，求解两端固定柔性压电俘能器动力学方程，获得开路电路电压输出公式 5. 学习ANSYS耦合场分析，对压电俘能器进行有限元分析	第二章压电俘能器 的工作原理 第三章 压电俘能器 的动力学分析与仿真
4月下旬—5月中旬	1. 学习Multisim软件 2. 基于俘能器的整流电路，建立集总元件数学模型 3. 在Multisim中进行电路仿真，表征柔性压电俘能器的输出功率	第四章压电俘能器集总元件建模与仿真
5月中旬—6月上旬	1. 完善论文（参考文献、致谢、查重、排版） 2. 设计论文答辩PPT 3. 准备论文答辩	第五章总结与 展望

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 沙山克#12539;普里亚, 丹尼尔#12539;茵曼, 普里亚,等. 能量收集技术[m].东南大学出版社, 2011.

[2] 刘祥建, 陈仁文.压电振动能量收集装置研究现状及发展趋势[j]. 振动与冲击,2012, 31(16):169-176.

[3] 邢明星. 压电能量收集器的研究[d].黑龙江大学, 2015.