懸臂梁壓電浮能器概要與認識

1、 懸臂梁壓電浮能器概要與認識 浮能器的應用領域圖圖1.1 俘能器應用領域俘能器應用領域壓電效應與反壓電效應壓電材料極化 壓電材料一般需要進行極化之后才能有效的俘獲能量。極化是在某一溫度下對壓電材料的兩個表面加以一段時間的直流電壓實現(xiàn)的。極化之后，剩余極化出現(xiàn)，電荷在電極上積累，因此就具有了壓電性。該過程中偶極子的移動示意圖壓電效應模式 三種模式壓電效應三種模式壓電效應 (a) d33模式模式 (b) d31模式模式 (c) d15模式模式 懸臂梁壓電浮能器模擬結(jié)構(gòu) 賓夕法尼亞州立大學研制的鐃鈸換能器是一種夾心式壓電浮能器裝置。該 裝置主要由鋼帽和壓電片構(gòu)成。壓電片陶瓷片的上下兩端都與鋼帽粘合，

2、通過鋼帽的的振動迫使壓電陶瓷承受環(huán)交變力從而產(chǎn)生交變電壓。測試結(jié)果表明在外力為100N左右、頻率為100-200Hz的環(huán)境下，對其施加70N的交變力載荷若負載電阻為400、則可以獲得52mW功率。共面串聯(lián)模型和單晶片模型 可集成懸臂梁壓電浮能器模擬單元 基于ANSYS的器件有限元建模，網(wǎng)格劃分(a)和模態(tài)變形(b)ANSYS分析矩形壓電片應力ANSYS分析矩形壓電片電壓 不同模態(tài)諧振頻率下的結(jié)構(gòu)響應(a) 第一階模態(tài)(a) 第四階模態(tài)(a) 第三階模態(tài)(a) 第二階模態(tài) 壓電浮能器機電耦合系統(tǒng)模擬Experimental setup for demonstration of the effec

3、t of strain nodes on the voltage output懸臂梁壓電浮能器的實驗仿真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.壓電俘能性能測試儀器Tektronix AFG 3021B信號發(fā)生器信號發(fā)生器 YE5871A YE5871A功率放大器功率放大器JZK-5JZK

5、-5振動臺振動臺Tektronix TDS 1002數(shù)字示波器數(shù)字示波器性能測試現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)測量與分析在RL=1M下d15與d31頻率輸出特性比較問題與思考1.怎么降低壓電浮能器的諧振頻率，由于自然環(huán)境中大部分能量為低頻能量2.怎么在低頻條件下獲得多個諧振頻率3.怎么實現(xiàn)自適應諧振頻率壓電浮能器4.怎么優(yōu)化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高的機電耦合系數(shù)和輸出電壓及功率5.怎么獲得高效的整流電路6.怎么開發(fā)高效的儲存電路下一步工作 了解懸臂梁的理論建模 了解各模擬態(tài)下理論計算 熟悉懸臂梁各參數(shù)對實驗結(jié)果的影響并計算 熟悉實驗流程及操作，為去大連實驗做準備 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