悬臂梁压电浮能器概要与认识

1、 悬臂梁压电浮能器概要与认识 浮能器的应用领域图图1.1 俘能器应用领域俘能器应用领域压电效应与反压电效应压电材料极化 压电材料一般需要进行极化之后才能有效的俘获能量。极化是在某一温度下对压电材料的两个表面加以一段时间的直流电压实现的。极化之后，剩余极化出现，电荷在电极上积累，因此就具有了压电性。该过程中偶极子的移动示意图压电效应模式 三种模式压电效应三种模式压电效应 (a) d33模式模式 (b) d31模式模式 (c) d15模式模式 悬臂梁压电浮能器模拟结构 宾夕法尼亚州立大学研制的铙钹换能器是一种夹心式压电浮能器装置。该 装置主要由钢帽和压电片构成。压电片陶瓷片的上下两端都与钢帽粘合，

2、通过钢帽的的振动迫使压电陶瓷承受环交变力从而产生交变电压。测试结果表明在外力为100N左右、频率为100-200Hz的环境下，对其施加70N的交变力载荷若负载电阻为400、则可以获得52mW功率。共面串联模型和单晶片模型 可集成悬臂梁压电浮能器模拟单元 基于ANSYS的器件有限元建模，网格划分(a)和模态变形(b)ANSYS分析矩形压电片应力ANSYS分析矩形压电片电压 不同模态谐振频率下的结构响应(a) 第一阶模态(a) 第四阶模态(a) 第三阶模态(a) 第二阶模态 压电浮能器机电耦合系统模拟Experimental setup for demonstration of the effec

3、t of strain nodes on the voltage output悬臂梁压电浮能器的实验仿真Experimental set-up for the one-stage energy harvestingschemeFigure 10. Agenerator prototype made from PZT-5A.Figure 11. Thepiezoelectric generator mounted into a vibrometerused for testing.Connection between the electrostatic shaker (as the part t

4、hat moves the system), the clamping device, and the energy harvester device with proof mass I. Energy harvester device is electrically wired through electrical leads in order to pull the voltage/current off as shownin the left.压电俘能性能测试仪器Tektronix AFG 3021B信号发生器信号发生器 YE5871A YE5871A功率放大器功率放大器JZK-5JZK

5、-5振动台振动台Tektronix TDS 1002数字示波器数字示波器性能测试现场实验数据测量与分析在RL=1M下d15与d31频率输出特性比较问题与思考1.怎么降低压电浮能器的谐振频率，由于自然环境中大部分能量为低频能量2.怎么在低频条件下获得多个谐振频率3.怎么实现自适应谐振频率压电浮能器4.怎么优化结构实现高的机电耦合系数和输出电压及功率5.怎么获得高效的整流电路6.怎么开发高效的储存电路下一步工作 了解悬臂梁的理论建模 了解各模拟态下理论计算 熟悉悬臂梁各参数对实验结果的影响并计算 熟悉实验流程及操作，为去大连实验做准备 Cho J, Anderson M,Richards R, et al.Optimization of electromechanical coupling for a thin-film PZT membrane II ExperimentJ. Journal of Micromechanics and Microengineering.2005,15(10): 1804-1809 Challa VR,Prasad MG,Shi Y,et al.A vibration energy harvesting device with b