该文提出了一种基于弹簧振动平台的上变频压电俘能器，解决了低频振动能量收集效率低的问题。分析了压电悬臂梁输出功率与激励频率的三次方正相关，解释了采用上变频收集低频振动能量的原因。应用赫兹接触理论分析了拨片与压电悬臂梁的接触力，建立了拨动式激励的压电俘能器机电耦合模型。在综合考虑重叠长度和拨片厚度等影响因素后，选取厚度0.1 mm矩形不锈钢拨片。实验表明，在1g(g=9.8 m/s2）、5.67 Hz的激励信号下,单拨动式上变频V25W型压电悬臂梁输出功率可达9.6 mW，具有很强的低频能量收集性能。

针对可穿戴设备电源的供电及续航问题, 采用了筒壳结构的压电能量收集器。探究了可穿戴筒壳结构压电能量收集器俘能的本质, 并提出结构优化设计方案。首先指出筒壳结构的承载能力和初始能量与厚度成正比, 且随着跨度的增大而减小; 其次通过有限元仿真研究了基底和聚偏二氟乙烯(PVDF)压电薄膜尺寸与应力、应变的关系, 指出PVDF的尺寸应尽可能与应力、应变较大的区域相符合, 没必要完全覆盖基底, 并给出优化模型; 最后通过实验验证了厚度、跨度和曲率半径优化尺寸的合理性, 综合考虑了人体穿戴的舒适度。优化设计方案中, 筒壳结构的厚为125~150 μm, 跨度为19~22.2 mm, 曲率半径为10~15 mm, 输出电压可达13~18 V。

由于非线性技术可使压电式能量采集获得较宽的振动频率和较高的输出电压, 本文基于非线性振动研究了一种压电式能量采集器。基于Duffing模型测试得到了非线性压电能量采集器的振动方程, 对其振动特性进行了仿真测试。在不同永磁体间距的条件下, 测试了非线性压电式能量采集器的开路输出电压, 结果表明, 当激振台加速度为20 m/s2时,该非线性压电式能量采集器的最大输出电压从线性系统输出时的131 V提高到208 V, 最大输出功率为43.264 mW, 主共振频率变化范围达到18 Hz。该Duffing模型的结构可以在小范围内改变非线性压电式能量采集器的共振频率, 同时提高其输出电压。

为了对原子力显微镜(AFM)中压电陶瓷管扫描位移进行非线性校正,提出了一种微位移测量与校正的简易方法。采用涡流位移传感器测量微位移,将其放大100倍以提高检测灵敏度;得到了压电陶瓷管的位移-电压曲线,其最高位移分辨率计算值为0.4 nm。根据AFM中压电陶瓷管的工作特点,确定扫描范围下测量得到的位移-电压关系,通过对等间隔像素点施加对应的非等间隔控制电压序列的方法进行非线性校正,依据像素点精度要求通过插值算法获得控制电压序列。系统采用LabVIEW虚拟仪器技术,校正后压电陶瓷管最大位移滞回偏差从10.1％降为0.4％。实验表明:扫描频率和扫描像素分辨率调节方便,同时校正算法复杂度也有所降低。

从微观上系统分析了电致伸缩效应、逆压电效应和铁电效应的位移机理,表明:三种效应的位移机理是根本不同的;压电陶瓷执行器的位移主要是由逆压电效应、铁电效应所引起的,电致伸缩效应对位移的贡献极其微弱,可以忽略不计;单纯的逆压电效应是线性的,而铁电效应则是迟滞非线性的.指出了非180°电畴转向与转向的不完全可逆,分别是造成压电陶瓷执行器非线性和迟滞的根本原因.通过实验研究了驱动电压幅值、驱动电压频率、驱动循环次数及晶片厚度对压电陶瓷执行器迟滞和非线性?挠跋?