- 文献综述（或调研报告）：
- 研究背景
近些年来，面对传统化石能源枯竭的威胁与环境污染问题的加重，各主要国家纷纷加大了在新能源领域的投入。在不同种类的新能源之中，压电能量具有重要意义。压电式振动能量采集结构简单、能量密度大且无需启动电压等优点它不仅能作为一种清洁能源减少污染，更能够在许多场景对设备实现免电池供电，不但能节省人力，还增加了安全性。本次课题即针对变电站内的传感器供电问题，拟设计出一种适用于该环境的振动微能量收集装置。
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- 压电效应
某些电介质在沿一定方向受外力作用而变形时，内部产生极化的同时，在晶体的两个相对的表面上出现正负电荷，此现象称为压电效应，其也可看作在一定条件下，机械能与电能的之间的转化。压电效应包括压电材料的正压电效应与压电材料的逆压电效应。
给压电材料表面放上电极，当无外界电场作用时，在压电材料的某个表面上施加压力，使其发生形变。内部有极化现象发生，正反表面产生反向电荷，两端面积和外部压力越大，产生的电荷量就越多，当外部压力去掉后，电荷消散，这种现象称为正压电效应。
给压电材料的极化方向上添加适当的电场，压电材料会在某个方向上发生机械变形，这种现象称为逆压电效应。
- 压电材料
压电材料是将机械振动能转化为电能的载体，不同的压电材料能量的转化量不同。
压电材料有很多种，有压电陶瓷、压电薄膜、压电陶瓷纤维、铁电单晶体等。
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压电材料 |
性能特征 |
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铁电单晶体 |
铁电单晶体包括PMN、PZN 以及PMN-PT、PZN-PT。其应变大、机电耦合系数大、压电系数大。采用PMN-PT 单晶体做换能器可以输出较高的电压和功率。 |
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压电陶瓷 |
锆钛酸铅 (PZT)。机电耦合常数大，压电常数大，制造工艺成熟。但PZT 陶瓷易碎在高频振动环境下，压电陶瓷容易发生疲劳，产生脆性断裂。因此较适合于低频振动环境下的换能器。 |
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压电薄膜 |
压电薄膜(PVDF)。PVDF 是压电聚合体[19]，比 PZT 的柔韧性好，寿命长，获得的能量多。适合应用在高频振动的环境下以及交变载荷的场合。适合做压力传感器及水声超声测量方面。 |
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压电陶瓷纤维 |
压电陶瓷纤维是高科技合成物，由环氧树脂和压电纤维合成。 柔韧性好，可以在振动环境下收集到更多的能量，适合做能量采集器。 |
- 压电能量捕获器结构
影响能量收集装置的因素不仅与收集装置的材料有关，而且与采集装置的结构相关.目前压电式能量采集装置的结构主要有悬臂梁、简支梁，矩形梁以及圆形和钹型结构等. 因此，根据不同的应用场合，选择不同的压电振子结构。仿真及实际应用中，所广泛采用的结构为悬臂梁式的压电模型，该模型具有结构简单、经济适用、易于制造和仿真、能量转换率高等优点，因而被广泛采用。
- 压电振子振动模式
压电振子承受外作用力，其用来完成机械能与电能的相互转化的振动方式称为压电振子的振动模式。压电装置的振动模式影响采集装置俘获的能量，目前压电装置的有效振动模式主要有31 转换模式和33转换模式。
(a)d33-振动模式 (b)d31-振动模式
图1. 振动模式
图中的1、2、3 三个坐标轴分别表示x、y、z 三个坐标轴。通常情况下，压电片的工作模式为d33 模式，表示电压和应力都集中在3 轴的方向（也即z 轴方向）；同时，压电片也可以以d31 模式进行工作，在该模式下，电压和应力的方向不在同一个轴上，例如，电压施加方向为3 轴，应力方向为1 轴（也可反之）。两种模式有着不同的应用场景，d31 的工作模式要求使用的场景有着足够大的应变变化，同时，该模式普遍应用于双晶工作模式下，但该模式也有缺点，例如，机电耦合系数要低于d33 模式，但其优点在于能够用一个较小的力产生较大的机械应变。d33 模式在工作时，尖端要放置足够合适的重量块，以降低固有频率。
d31 模式下的机电耦合系数较高，在低频振动下，利用压电材料能够俘获更多的振动能.d31 转化模式的材料结构更容易制作，其系统的固有频率较低，适合于在振动源频率低的环境中应用. d33 模式与 d31 模式相比，d33 模式的机电耦合系数更大，俘获振动源的能量更多，其将机械能转化成电能的效率更高。
- 压电能量捕获器性能优化
只有当压电发电机与环境振动源发生共振时，其输出功率才能达到最佳，否则功率会急剧减小。然而，在实际环境中振动源的振动频率往往在一个较大的频率范围内变化的，因此，如何拓宽压电发电机的共振频率是提高压电发电机效率的关键所在。通过修改压电振子悬臂梁等参数，一来防止应力超过最大许用应力导致结构受损或破坏；二来使得压电能量捕获器谐振频率与外界频率相符合，从而扩展工作电压范围，提升工作效率。
- 压电能量管理模块
自然界中的振动能量经能量捕获器捕获后，由振动能变为电能，这些能量一般表现为弱电流、低功率以及低交流电压，而无线传感网络节点通常需要持续的能量以及稳定的直流电压。因此，必须设计能量收集存储电路，将压电俘能器俘获的不稳定电量经过整流、稳压处理后转化为稳定的电量输出，经后续储能电路为节点储能单元充电。
参考文献：
[1] 孙加存,陈荷娟.压电发电能量转移技术与实验研究[J].压电与声光,2015,37(01):109-112.
[2] 低功耗在线监测装置的环境取能方法研究_王云承,2015.
[3] 振动能量收集技术的近况与展望_孟祥凯,2019.
[4] 宋海龙，汪勇，李昊东，金丹.压电材料及压电效应的应用[J].硅谷，2014，(23)：107-108
[5] 郭鑫源,岳建海,郑义.单晶压电片模态及谐响应特性分析[J/OL].计算机仿真:1-10[2019-12-30].
[6] 谭厚志. 振动能量供电的矿用无线监测节点研制[D].西安科技大学,2019.
[7] Zhao Wang. Self-powered microfluidic sensors based on piezoelectric energy harvesting of PVDF nanofibers[C]. Engineering Information Institute.Proceedings of Workshop 1 2018.Engineering Information Institute:美国科研出版社,2018:24.
[8] Gyeong Ju Song,Jae Yong Cho,Kyung-Bum Kim,Jung Hwan Ahn,Yewon Song,Wonseop Hwang,Seong Do Hong,Tae Hyun Sung. Development of a pavement block piezoelectric energy harvester for self-powered walkway applications[J]. Applied Energy,2019,256.
[9] 基于压电技术的振动能量收集器的研究分析_牛进才,2019.
[10] 温差与振动混合能量收集及其电能管理关键技术研究_石宏武,2016.
[11] 压电振动能量收集器在穿戴设备上的应用_高珊,2018.
[12] 压电能量收集技术的研究及应用_于成林,2018.
[13] 赵帅. 基于压电发电的环境信息监测节点自取能技术研究[D].太原理工大学,2016.
- 文献综述（或调研报告）：
- 研究背景
近些年来，面对传统化石能源枯竭的威胁与环境污染问题的加重，各主要国家纷纷加大了在新能源领域的投入。在不同种类的新能源之中，压电能量具有重要意义。压电式振动能量采集结构简单、能量密度大且无需启动电压等优点它不仅能作为一种清洁能源减少污染，更能够在许多场景对设备实现免电池供电，不但能节省人力，还增加了安全性。本次课题即针对变电站内的传感器供电问题，拟设计出一种适用于该环境的振动微能量收集装置。
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- 压电效应
某些电介质在沿一定方向受外力作用而变形时，内部产生极化的同时，在晶体的两个相对的表面上出现正负电荷，此现象称为压电效应，其也可看作在一定条件下，机械能与电能的之间的转化。压电效应包括压电材料的正压电效应与压电材料的逆压电效应。
给压电材料表面放上电极，当无外界电场作用时，在压电材料的某个表面上施加压力，使其发生形变。内部有极化现象发生，正反表面产生反向电荷，两端面积和外部压力越大，产生的电荷量就越多，当外部压力去掉后，电荷消散，这种现象称为正压电效应。
给压电材料的极化方向上添加适当的电场，压电材料会在某个方向上发生机械变形，这种现象称为逆压电效应。
- 压电材料
压电材料是将机械振动能转化为电能的载体，不同的压电材料能量的转化量不同。
压电材料有很多种，有压电陶瓷、压电薄膜、压电陶瓷纤维、铁电单晶体等。
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