赵鼎成-----压电悬臂梁发电性能与试验研究

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1、压电悬臂梁发电性能与试验研究赵鼎成许来涛韩龙伸肖辉辉（杭州电子科技大学机械工程学院浙江杭州310018）摘要：该文利用ANSYS对压电悬臂梁进行有限元分析，得出基体材料，几何尺寸对压电悬臂梁发电能力的影响，并且根据分析结果对压电俘能器进行结构设计，最后对设计出来的俘能器进行振动能量俘获试验，得出了俘能器在共振条件下产生的电压和功率。关键词：压电俘能器；压电材料；能量捕获作者简介：许来涛（1987—），男，河南商丘人，硕士研究生，就读于杭州电子科技大学机械工程学院，研究方向：有限元分析、压电俘能器1.引言传统的化学电池供电一直以来很受到人们的青睐，是因为它本身存在许多优点，例如供能方便，简单质

2、能比大，制造成本低等，但是它本身也存在许多无法弥补的缺陷：电池的寿命有限，需要定期更换；蓄电池对环境的污染很严重。随着网络分布的日益广泛，微器件数目越来越庞大，并且由于有些微器件的工作位置难以再触及(比如体内，战场，动物群体等)，电池更换变得极为不便甚至于不可能,除此之外,在许多不能提供能源或者易燃易爆等危险场合，电池更换问题难以解决[1]。因此，如何向微电子产品无线供能已经成为当前迫切需要解决的问题。考虑到微电子产品的耗能小，可直接从工作环境中提取能量。环境中潜在可用的能源有:：太阳能、温差、振动和噪声等。太阳能和温差供能技术由于受到自然条件的限制而难以广泛使用，但工作环境中的噪声或振动能

3、却几乎无处不在且具有较高的能量密度[2]，所以解决微电子产品供能问题的一个有效的方法就是研究一种俘能器能直接从微电子器件工作环境中俘获振动能量并为其供能,其中有电磁感应、静电和压电效应[2]等技术实现这功能。由压电材料制成的压电俘能装置因具有结构简单、不发热、无电磁干扰、无污染、易于加工制作和实现机构的微小化、集成化等诸多优点而备受关注[3]。对俘能器的研究，国外已经取得了许多成果，国内还处于起步阶段，本文将对压电俘能结构进行研究与分析。压电悬臂梁俘能器的示意图如图1。图1压电悬臂俘能器的示意图2.压电俘能器的有限元静力学分析对压电俘能器进行有限元分析时压电材料选用了，基体材料分别选用铝等弹

4、性材料。压电材料的各材料参数如下：压电双晶片悬臂梁结构俘能器的发电能力主要是与悬臂梁的几何尺寸，悬臂梁基体的材料有关，这里主要是研究悬臂梁的宽度、长度、材料，悬臂梁端部受力对俘能器发电能力的影响。这里还讨论了压电俘能器在谐振状态下发电能力。在用ANSYS进行分析时，首先选用铝材进行分析，基体选用单元来仿真，压电片选用单元来模拟。压电俘能器的几何模型和有限元模型如图2，压电片贴在距离端部的位置。接下来我们分别选择了不同的材料进行模拟分析，选择的材料如下表表1五种材料的各个参数材料弹性模量（Gpa）泊松比密度（kg/m3）铍青铜1180.358920铝750.332700硅1700.278232

5、8钢1970.287800碳素纤维1300.321760图2压电悬臂梁的几何模型和有限元模型在悬臂梁的端部分别施加的集中力得到了如图3所示的结果，在同等的条件下，铝作为基体时，压电俘能器产生的电压最强，铍青铜次之，碳素纤维第三。所以我们在试验时采用铝作为基体。图3基体材料对压电悬臂梁发电能力的影响在材料选定的情况下，分析了基体的几何尺寸对压电俘能器发电性能的影响，得到了图4到图8的结果图4端部加载集中力对发电能力的影响图5基体和压电片的宽度比对发电能力的影响图6基体与压电片的长度比对发电能力的影响图7基体与压电片的厚度比对发电能力的影响由图4到图7可以看出，压电悬臂梁所产生的电压和端部受到的

6、力成线性关系；随着基体宽度的增加，压电悬臂的所产生的电压不断下降，并且不是严格的成线性变化的；随着基体长度的增加压电悬臂梁所产生的电压不断增加，但是不是成线性的变化，在不同的区域，长度增加量对压电悬臂梁发电能力的影响是不同的，其中在长度为到之间影响最大；随着厚度比的增加，压电悬臂梁所产生的电压先增加再减小，在厚度比为到之间产生最大值。3.压电俘能器模态与谐响应分析通过以上的静力学分析，得到了压电悬臂梁的的几何参数和材料，由于我们一般振动源的固有频率都比较低，而俘能能器工作在固有频率之下时的峰值电压和能量密度比非谐振状态下要大很多[4]，而在悬臂梁的自由端加质量块可以降低俘能器的固有频率，我们

7、通过对俘能器进行模态分析得到了图8质量块的质量和俘能器固有频率的关系。图9是没有质量块时俘能器的谐响应分析结果图8质量块的大小和俘能器固有频率的关系图9无质量块时谐响应结果俘能器的能量源一般是外界环境的振动，该文原载于中国社会科学院文献信息中心主办的《环球市场信息导报》杂志http://www.ems86.com总第467期2012年第30期（7月28日出版）-----转载须注名来源而外界环境的振动频率一般为