基于應(yīng)力調(diào)控的壓電俘能特性研究.pdf

1、振動能是不受氣候限制的可再生能源。壓電振動發(fā)電為低功耗微電子產(chǎn)品，無線傳感網(wǎng)中的傳感器及MEMS產(chǎn)品供電，無需電網(wǎng)電源或更換電池，使振動檢測點生命力持久，便于規(guī)?；M網(wǎng)。而壓電振動發(fā)電的主要問題是能量密度和轉(zhuǎn)換效率不理想，改善壓電俘能的應(yīng)力分布是提高俘能輸出功率的一種方法。本文主要研究如何用應(yīng)力調(diào)控的方法增強壓電俘能器的輸出電壓和輸出功率。
　　首先，設(shè)計了通過微動臺縮短單晶片兩端距離實現(xiàn)應(yīng)力增強的結(jié)構(gòu)，初步驗證了增加應(yīng)力分布可以

2、提高壓電結(jié)構(gòu)的驅(qū)動位移。其次，將應(yīng)力調(diào)節(jié)方式進一步優(yōu)化，設(shè)計了以不同彈性系數(shù)的拉伸彈簧為核心的預(yù)應(yīng)力THUNDER簡支梁應(yīng)力調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，測量了進一步應(yīng)力增強后的THUNDER簡支梁的俘能特性。當所加彈簧的彈性系數(shù)為145N/m，即所施加的壓縮力為0.58N時，在諧振頻率的輸出功率增加了74.4％。再次，設(shè)計了通過調(diào)節(jié)拉伸彈簧的長度向THUNDER懸臂梁和初始無預(yù)應(yīng)力的壓電懸臂梁施加應(yīng)力的結(jié)構(gòu)。對THUNDER懸臂梁基于哈密頓理論，建立了機

3、電耦合模型，得到了輸出電壓預(yù)測曲線，發(fā)現(xiàn)當壓縮力P＜0.495N時，輸出電壓隨著P的增加而逐步增大，當P＞0.495N時，輸出電壓隨著P的增大而變小，諧振頻率則隨著P的增大而一直減小。實驗測量的輸出電壓曲線與仿真預(yù)測曲線的變化趨勢相符合。實驗研究應(yīng)力調(diào)節(jié)對初始無預(yù)應(yīng)力的壓電陶瓷PZT-5A矩形懸臂梁、PVDF壓電薄膜矩形和三角形懸臂梁的俘能特性。結(jié)果顯示PZT-5A懸臂梁的俘能改善最明顯，輸出電壓增大了374％，PVDF三角形懸臂梁輸出

4、電壓也提高了41.5％。而PVDF矩形懸臂梁在應(yīng)力調(diào)控結(jié)構(gòu)下輸出電壓無明顯變化。最后，為了分析俘能效果改善的原因，測量了俘能器的驅(qū)動位移和等效電容，發(fā)現(xiàn)隨著壓縮力的增大壓電系數(shù)呈增大的趨勢，介電常數(shù)沒有變化，初步判斷在應(yīng)力的作用下壓電俘能器能量密度提高了。
　　研究表明，應(yīng)力調(diào)控的方法可以提高預(yù)應(yīng)力單晶片和初始無預(yù)應(yīng)力單晶片的俘能效果。隨著所施加的壓縮力的增大，各壓電梁的輸出電壓先增大而后減小，這說明應(yīng)力調(diào)控對俘能的增強效果有一定