文档介绍：西南科技大学
硕士学位论文
压电振动换能器的建模与稳健优化设计
姓名:齐洪东
申请学位级别:硕士
专业:控制理论与控制工程
指导教师:杨涛
20080618
要摘西南科技大学硕士研究生学位论文压电振动换能器是一种持久、清洁、免维护的新型发电装置,在无线传感器网络供电方面具有较广阔的应用前景。本文通过分析压电陶瓷发电的原理,建立悬臂梁结构的压电换能器的总体设计方案。结合压电学和材料力学的基本理论,建立起压电振动换能器的机电耦合模型,并利用/仿真工具对换能器的主要工作特性进行仿真分析。从田口稳健设计的经验方法出发,结合悬臂梁式压电振动换能器的理论模型,设计了以平均输出功率和工作频带宽度为优化目标的稳健优化设计方案。以/作为稳健设计过程自动化的实现工具,采用内外正交表交叉计算优化目标的信噪比。对优化目标的信噪比进行方差分析,得到一组最优设计参数,实现对压电换能器的优化设计。将梯度遗传算法用于对田口稳健设计进行改进,利用目标函数的梯度信息加速遗传算法的收敛,以遗传算法产生的每一代种群的最优个体作为内表中的一组数据,采用外正交表计算优化目标的信噪比。该方法拓展了优化参数的搜索范围,并且提高了对按优化后的参数制作的样机进行测试,结果证明该换能器完全能够满足功耗为稺的传感器节点的使用要求,验证了研究方案的可行性。关键词:振动能量收集压电换能器机电耦合模型稳健设计梯度遗传算法第参数搜索的分辨率。
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签名:彳科蟹日期:膨一彳鼬’琾罗.∥独创性声明关于论文使用和授权的说明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得西南科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留学位论文的复印件,允许该论文被查阅和借阅;学校可以公布该论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。C艿难宦畚脑诮饷芎笥ψ袷卮斯娑导师签名:已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。日期:
绪论研究的目的和意义西南科技大学硕士研究生学位论文无线传感器网络综合了传感、嵌入式计算、分布式信息处理和无线通信等多种技术,能够协同完成各种被监测对象的分布式实时信息采集和处理,并将这些信息可靠地传送给用户。随着计算的网络化以及无线通信、大规模集成电路和微型机电系统等技术的发展,无线传感器网络正在成为一个新兴的技术领域,有望带来农业、消防、军事、医疗保健、建筑安全和工业设施等领域的重大进展。无线传感器网络将使计算分布在各个角落,可能会像互联网那样对社会产生巨大的影响。年第诘摹禡企业技术评论》将传感器网络列为“即将改变世界的十种新兴技术”之首目前,无线传感器网络研究已成为国际关注的热点,研究内容分布非常广,,涵盖了从理论到实现、从物理层到应用层、从节能到安全等各个方面。供电问题是无线传感器网络的核心问题之一,它贯穿于从物理层到应用层的整个设计,包括低功耗电路设计、高能效的楹吐酚尚榈嚷#N线传感器网络节点数量一般较大,而且在很多场合下维护人员难以接近,因电。与处理、存储和通信技术的飞速进步相比,电源技术进步的速度要小得多,在过去的十多年里,电源的能量密度并没有明显提高F胀ǖ绯乜梢持续产生较大的电流,但是其寿命非常有限,常常几个月到一年就需要更换,使得维护工作量较大,不适合于节点大量部署或操作人员难以接近的场合,例如污染物探测传感器等。此外,在高温潮湿环境下电池易发生漏电。可以采用以下两种途径来解决上述问题:一是采用核电池等长寿命电源¨,;二是途径可以提供安全、低成本和理论上无寿命限制的自供电技术,近年来引起了研究人员的广泛关注。振动是自然界中易于获取并能长期利用的能源。振动收集能量的方法主取8萌址椒ㄊ视糜诓煌墓ぷ魈跫梢愿菸尴叽感器节点应用的不同领域选择以上三种方式的一种或组合使用。振动发电技术适用于存在机械振动的场合,其能量密度已经接近实用,是一种很有前途第此节点的免维护性就成了一个很重要的需求,而其中最大的制约因素就是供利用可再生的环境能源,主要包括微波、光照、振动、热和气流等。第二种要有:电磁⋯⋯⋯⒕驳纰蟆脱沟纭俊的供电方式。表是几种常见的环境能量利用方式的能量密度。
国内外研究现状西南科技大学硕士研究生学位论文由于振动发电装置的带宽比较窄,其能量转换效率在很大程度上取决于换能元件的固有频率是否与振动源的主导频率一致。然而,换能元件的固有频率受到加工过程和负载等不确定因素的影响,同时振动源的主导频率也可能偏离理想值,而且