悬臂型压电发电装置固有频率与能量输出特性的研究

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1、硕士学位论文悬臂型压电发电装置固有频率与能量输出特性的研究THERESEARCHONRESONANTFREQUENCYANDPOWEROUTPUTOFPIEZOELECTRICITYDEVICE杨微哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：O482.6学校代码：10213国际图书分类号：537密级：公开理学硕士学位论文悬臂型压电发电装置固有频率与能量输出特性的研究硕士研究生：杨微导师：吕天全教授申请学位：理学硕士学科：凝聚态物理所在单位：物理系答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:O482.6U.D.C:537Dissertati

2、onfortheMasterDegreeinScienceTHERESEARCHONRESONANTFREQUENCYANDPOWEROUTPUTOFPIEZOELECTRICITYDEVICECandidate：YangWeiSupervisor：Prof.LüTianquanAcademicDegreeAppliedfor：MasterofScienceSpeciality：CondensedMatterPhysicsAffiliation：DepartmentofPhysicsDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institu

3、tion：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学理学硕士学位论文摘要悬臂型压电发电装置能够直接将机械能转换成电能，具有结构简单、加工方便、转换效率高等优势。该发电装置在谐振条件下能够产生很高的输出电压。其固有频率与材料的尺寸和力学性量切相关；合适的外加负载其能够产生较大的能量输出。所以研究此类发电装置的固有频率与能量输出对于提高发电能力具有重要意义。本文以正压电效应为基础，基于压电振子的振动模式，支撑方式等条件，建立了压电发电理论模型。将压电陶瓷PZT-5H制作成不同尺寸的压电振子。分别选择不同厚度的黄铜片、铝合金、不锈钢作为金属基片。以环氧树脂E

4、51与胺类固化剂W93混合物作为粘合剂。对悬臂型压电发电装置进行固有频率和能量输出的测试。结合理论模型与试验分析，从压电振子尺寸、金属基片尺寸、金属基片的种类三个主要影响因素出发，分析了不同条件下固有频率的变化规律，研究发现固有频率随压电振子与金属材料长度的增加而降低，随材料厚度的增加而线性升高；当金属基片种类发生改变化时，固有频率随金属基片刚度系数的增加呈现递增的关系。该结论与理论推导的结果基本一致。验证了理论的准确性，并据此总结出固有频率随结构尺寸的变化规律。为优化悬臂型压电发电装置结构尺寸提供了依据。能量输出实验结果发现，输出电压随频率的变化呈现先升高后降低的变化趋势，通

5、过该变化趋势可以判断固有频率的大小。针对结构尺寸进行了实验研究，总结发电装置的尺寸对发电能力的影响。将合适的负载阻抗接入测试电路，结果表明此发电装置符合电路分压特性，从功率随负载的变化关系可以明显看出，合适的负载阻抗能够使输出功率明显提高。关键词：压电陶瓷；压电发电；固有频率；负载匹配；能量输出-I-哈尔滨工业大学理学硕士学位论文AbstractPiezoelectriccantilevergenerationdevicecanconvertmechanicalenergyintoelectricitydirectly.Ithasmanyadvantagessuchassimp

6、lestructureandhightransformationefficiency,inaddition,itiseasytoprocess.Thisdevicecanproducehighvoltageatresonance.Itsnaturalfrequencyislargelyrelatedtodimensionsandmechanicalpropertyofmaterial.Appropriateplusimpedancecanpromoteittoproducthigherenergyoutput.Therefore,researchingonnaturalfreq

7、uencyandpoweroutputisverysignificanttoincreasethegenerationcapacity.Thepaperisbasedonpiezoelectriceffect.Buildingthetheoreticalmodelbasisofvibrationmodeandsupportmode.ThepiezoelectricceramicPZT-5Hisfabricatedintoapiezoelectricvibratorwithdifferentd