基于壓電懸臂梁的環(huán)境振動能量獲取方法的初步研究.pdf

1、振動能是自然環(huán)境中廣泛存在的一種能量，振動式微型發(fā)電機(jī)可將其提取并轉(zhuǎn)換為可直接使用的能源。其中，壓電式微型發(fā)電機(jī)因其無需外界電源、較高的機(jī)電耦合特性和功率密度，而備受關(guān)注。此類發(fā)電機(jī)大多采用壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)作為換能元件。壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)具有構(gòu)造簡單，加工方便等優(yōu)勢，其諧振頻率、結(jié)構(gòu)尺寸以及材料特性是影響能量采集裝置的適用條件和輸出功率的重要因素。 為制造出能夠在自然環(huán)境下通用的且具有較高功率輸出的能量采集裝置，本文建立了壓電懸臂梁振

2、動能量采集裝置的模型，并針對其關(guān)鍵部件--壓電懸臂梁進(jìn)行了理論分析與有限元仿真分析，包括其能量轉(zhuǎn)換過程、諧振頻率的求解方式等。并深入分析了壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)與諧振頻率、輸出功率之間的關(guān)系。 利用多普勒測振儀測定了壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)的諧振頻率，并利用壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)搭建起能量采集裝置的實(shí)驗(yàn)平臺。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果為最終能夠?qū)崿F(xiàn)以振動能量作為微功耗器件、無線傳感器結(jié)點(diǎn)的能源供給方案奠定了基礎(chǔ)。 本文的主要內(nèi)容包括： 1.介紹

3、了振動式微型發(fā)電機(jī)，特別是壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)的振動發(fā)電機(jī)的原理與研究現(xiàn)狀，以及存在的問題。 2.依據(jù)環(huán)境振動的特點(diǎn)，建立了以末端固定質(zhì)量塊的壓電懸臂梁作為換能元件的振動能量采集裝置的模型。對壓電材料的特性、電流等效電路進(jìn)行理論分析，并推導(dǎo)了壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)諧振頻率、能量采集裝置輸出電功率的方程。 3.利用有限元分析軟件ANSYS對壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。求解其諧振頻率，并討論了質(zhì)量塊、PZT層厚度、懸臂梁長度、寬度等因素對諧振