张旭辉，博士，教授，博士生导师。2009年获西安交通大学工学博士学位。现任西安科技大学机械工程学院院长，陕西省中青年科技创新领军人才，陕西煤矿机电设备智能检测与控制重点科技创新团队带头人，陕西省矿山机电装备智能监测重点实验室常务副主任。兼任中国工程机械学会煤矿机械分会副秘书长，陕西机器人技术创新战略联盟常务理事，陕西省振动工程学会常务理事，中国力学学会会员，担任IEEE ACCESS、振动工程学报、振动与冲击、煤炭科学技术、工况自动化等国内外期刊审稿人。主要从事矿山设备状态监测与故障诊断、工业设备虚拟仿真与远程控制、机电耦合建模与非线性动力学、新型能量收集技术及应用、机电产品绿色设计技术与评价等方面研究。承担省部级以上项目近20项，企业科技合作项目30多项。先后获省部级科技奖励9项，陕西省教学成果奖2项；参编规划教材5部，获陕西省优秀教材二等奖3项；授权国家专利80余项，其中发明专利近40项，获得软件著作权14项，发表学术论文130余篇。

全书共分为8章，第1章简要概述目前能量俘获技术的研究现状；第2、3章为压电能量俘获技术基本理论知识储备和线性系统模型构建，作为入门章节旨在为读者提供研究的基本理论方法；第4章至第6章以悬臂式多场耦合非线性压电俘能器为对象，详细介绍悬臂式能量俘获技术的理论与方法；第7章补充介绍了悬臂式和击打式两种不同结构的多方向压电俘能器的建模分析与实验研究实例；第8章简要介绍不同工程应用领域中压电能量俘获技术的研究现状。

本书主要介绍不同形式激励下的压电俘能器的多场耦合建模和响应特性问题，即俘能问题，而对储能、用能两方面内容未过多涉及，感兴趣的读者可参考相关文献。

10年来，正是这些潜在的应用牵引，加之低功率电子元件和无线传感技术的飞速发展，能量收集技术受到学术界和工业界的广泛关注。利用压电效应将环境中振动能转化为电能的压电俘能器技术，以其供能充足、受环境影响小、无污染和易于实现小型化和集成化等优点成为国内外研究热点之一。由于外界振动激励源频域能量分布在较宽频带，且具有随机时变特征，一般的线性压电俘能器自身的线性机理决定其共振频带很窄，难以满足外界振动激励复杂多变的要求，导致俘能效率低下，拓频能力有限且灵活性较差。如何提高压电振动系统俘能效率是一个亟待解决的问题。国内外研究机构及学者从阵列式、自调谐、非线性、泵浦频率、弹性放大器等方面对压电俘能器的效率提升技术进行了大量研究，其中引入非线性系统理论和方法拓展俘能器共振频带的研究尤为突出，但是针对多方向、随机振动激励方面的研究较少，加之安装尺寸等限制，压电俘能器结构设计面临很大困难。

第1章 概述1
1.1 新型能量俘获技术需求与利用1
1.2 振动能量俘获技术概述2
1.3 压电式振动能量俘获技术研究进展6
1.3.1 从单方向到多方向6
1.3.2 从线性到非线性11
1.3.3 从简谐激励到随机激励15
1.4 本书结构及主要内容16

第2章 压电式能量俘获技术基础知识18
2.1 压电材料基础知识18
2.1.1 正/逆压电效应18
2.1.2 压电方程19
2.1.3 压电材料21
2.2 梁的建模与模态分析22
2.2.1 Euler Bernoulli梁理论22
2.2.2 梁的弯曲振动23
2.2.3 梁的模态分析25
2.3 Lagrange机电耦合方程29
2.3.1 虚功原理29
2.3.2 Hamilton原理30
2.3.3 Lagrange方程31
2.4 本章小结32

第3章 悬臂式线性压电俘能器机电模型构建34
3.1 引言34
3.2 线性压电俘能器集中式参数建模34
3.3 线性压电俘能器分布式参数建模36
3.3.1 力学平衡法36
3.3.2 能量守恒法39
3.4 本章小结42

第4章 悬臂式多场耦合非线性压电俘能器模型构建44
4.1 引言44
4.2 多物理场模型建立44
4.2.1 磁场模型45
4.2.2 力学模型49
4.2.3 电学模型53
4.3 压电能量收集系统分布式参数机电耦合模型55
4.4 本章小结57

第5章 悬臂式多场耦合非线性压电俘能器模型解析58
5.1 引言58
5.2 简谐激励下系统模型解析方法58
5.2.1 四五阶龙格库塔法58
5.2.2 谐波平衡法61
5.2.3 增量式谐波平衡法61
5.3 随机激励下系统模型解析方法68
5.3.1 环境振动过程中随机激励形式68
5.3.2 蒙特卡罗模拟法71
5.3.3 FPK方程法72
5.4 有限元仿真分析法76
5.4.1 压电俘能器有限元分析建模77
5.4.2 压电俘能器有限元分析79
5.5 本章小结83

第6章 悬臂式多场耦合非线性压电俘能器实验验证85
6.1 引言85
6.2 实验平台搭建及实验材料制备85
6.2.1 实验平台的搭建85
6.2.2 实验材料的制备方法86
6.3 不同激励下的俘能器实验验证90
6.3.1 简谐激励下俘能器实验验证90
6.3.2 随机激励下俘能器实验验证92
6.4 本章小结94

第7章 多方向压电俘能器建模分析与实验研究95
7.1 引言95
7.2 悬臂式多方向压电俘能器95
7.2.1 悬臂式多方向压电俘能器的结构设计96
7.2.2 悬臂式多方向压电俘能器的建模分析96
7.2.3 悬臂式多方向压电俘能器的实验研究116
7.3 击打式多方向压电俘能器127
7.3.1 击打式多方向压电俘能器的结构设计128
7.3.2 击打式多方向压电俘能器的建模分析129
7.3.3 振动能量收集装置的实验验证139
7.4 本章小结146

第8章 压电俘能器的应用148
8.1 环境监测148
8.1.1 在风速及温度监测方面的应用148
8.1.2 在水质监测方面的应用149
8.2 设备状态监测151
8.2.1 矿井机械设备状态监测151
8.2.2 汽车胎压监测153
8.2.3 桥梁及建筑健康监测154
8.3 可穿戴式人体能量收集技术155
8.3.1 人体行走的鞋式能量收集技术156
8.3.2 人体行走的背包式能量收集技术160
8.3.3 人体关节部位的能量收集技术162
8.4 人体医疗设备供电163
8.4.1 心脏起搏器的供电163
8.4.2 健康检测设备供电165
8.5 本章小结167

参考文献168