基于d15模式的l型压电俘能器结构与性能研究

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1、基于dl5模式的L型压电俘能器结构与性能研宄刘月董维杰白凤仙大连理工大学电子信息与电气工程学部辽宁省微纳米技术及系统重点实验室摘要：剪切模式压电俘能器利用较高的压电系数dl5，理论上能够收集到更多的能量。该文设计了一种基于dl5模式的L型基座压电俘能器，通过有限元仿真分析与直立型结构进行了对比。结果表明，L型结构不发生谐振吋的俘能性能与直立型结构基本相同，在很宽频带内均有稳定的能景输出；而在一阶模态频率，L型结构的输出功率有大幅增加。该文制作了L型基座d15模式PZT-51压电俘能器，实测表明，压电俘能器的谐振频率为86Hz,当加速度为2.5

2、g(g=9.8m/s2)时，在匹配负载203kQ上输出功率为31.25pW,对应单位重力加速度下的功率密度为84uW•cm'关键词：压电俘能器;dl5模式;PZT-51;L型基座;有限元;作者简介：刘月(1993-),女，内蒙古赤峰人，硕士生，主耍从事压电俘能器研究。E-mail:422309594@qq.com。作者简介：董维杰(1968-),女，教授，博士，主要从事压电传感器与执行器的研究。E-raai1:dongwj@dlut.edu.cn。收稿日期：2017-02-22基金：辽宁省科学技术计划资助项目(2014020009)Study

3、onStructureandPerformanceofdl5Mode-basedL~TypePiezoelectricEnergyHarvesterFacultyofElectronicInformationandElectricalEngineering，DalianUniversityofTechnology;Abstract：Theshear-modepiezoelectricenergyharvester(PRH)offerspotentiallyimprovedenergyharvestingduetohigherd15piezoe

4、lectriccoefficientthanothermodes.AnL-typebasePEIIbasedond15-modewasdesignedinthispaper.ThecomparisonbetweentheL-typestructureandtheuprightstructurearecarriedoutthroughthefinite-elementsimulationanalysis.ItisshownthattheperformanceofL-typePEHarebasicallythesameasuprightPRHwh

5、entheresonancedoesnotoccur,andthereisastableenergyoutputoveraverywideband;whiletheoutputpowerofL-typePEIIhasincreasedsubstantiallyatthefirstordermodalfrequency.AnL-typebasePZT-51PEHprototypebasedond51modeisfabricated.ThemeasuredresultsshowthattheresonantfrequencyofPEHis86Hz

6、,theoutputpoweris31.25UWwiththeaccelerationof2.5g(g=9.8m/s2)atthematching♦•參賺3loadof203kQ,andthecorrespondingpowerdensityis84uW•cm-attheunitgravityacceleration.Keyword：piezoelectricenergyharvester;dl5mode;PZT-51;L-typebase;finite-element;Received：2017-02-220引言为了改良传统的化学电池供能系

7、统，收集环境中机械能量转化成电能的自供能设备一直是研究热点，压电俘能器就是收集环境中振动能量的一种主要方式。压电俘能器主要有3种工作模式:d15剪切模式、d33纵向模式与d31横向模式。3种模式下压电片极化方向不同，dl5模式沿长度方向极化，而d33与d31模式均沿厚度方向极化。典型的压电陶瓷材料的压电常数均有d15〉d33>d31的关系m,压电俘能器的输出功率与压电常数的平方成正比;与d33、d:n模式相比，d15模式可以简单、有效地提高输出功率M，故采用d15耦合模式的压电俘能成为重要研究方向。RenBo等U1利用一种d15=4600pC

8、/N的PMN-PT单品体设计了棊座直接竖直固定在激振台上的压电俘能器，利用中心质量块对两侧的PMN-PT单晶片施加剪切力，在激励加速度为12.16g(g=9.8m/