悬臂梁压电式振动发电机材料性能优化研究

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1、第28卷第3期传感技术学报Vo1．28No．3CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORSMar．20152015年3月OptimizationStudyonCantileverPiezoelectricVibrationGeneratorMaterialPropertyleANZhen，HEQing，WANGDongping，LIUJunfeng(1．MechanwandElectronicCollege，AgriculturalUniversityofHebei，BaodingHebei071001，China；2

2、．SchoolofEnergyPowerandMechanicalEngineering，NorthChinaElectricPowerUniversity，Beijing102206，China3．DepartmentofModernscienceandTechnology，AgriculturalUniversityofHebei，BaodingHebei071001，China)Abstract：PiezoelectricvibrationgeneratormadeinMEMScaninfiniteandcontinuetosupplye

3、nergyforlowpowere—lectricdevice．Forincreasinggeneratingcapacityofcantileverpiezoelectricvibrationgeneratorwithlimitedvolume，mechanicalmodelaccuracyisverifiedwhichapplyANSYSfiniteelement，andirfluenceruleofmaterialparameterofcantileverpiezoelectricgeneratortoinherentfrequencya

4、ndoutputvoltagearestudied，andmaterialparameterisopti—mizedanalysisaimingmaximumoutputelectricenergywithminimumvolume．TheresultsindicatePZT一4，PZT一5AandPrZT一5Hpiezoelectricmaterialsandstainlesssteel，nickelall0ysubstratematerialshouldbefirstlychosen．Keywords：wirelesssensornetwo

5、rk；vibrationenergyharvesting；piezoelectricvibrationgenerator；finiteelementmodelingEEACC：7230doi：10．3969／j．issn．1004—1699．2015．03．010悬臂梁压电式振动发电机材料性能优化研究术闫震，何青，王东平。，刘俊峰(1．河北农业大学机电工程学院，河北保定071001；2．华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京102206；3．河北农业大学现代科技学院，河北保定071001)摘要：具有高能量密度的微型压电振动发电机可以无限、持续

6、地为无线传感器网络提供能量。为了提高有限体积悬臂梁压电式振动发电机的发电能力，通过力学模型及有限元仿真分析了单晶片型式、双晶片并联型式和双晶片串联型式压电振动发电机的材料参数与输出电压及固有频率之间的关系。结果表明，在低频工作环境下，应优先选择PZT-4、PZT-5A、PZT一5H的压电材料和不锈钢、镍合金的基板材料。关键词：无线传感器网络；振动能量收集；压电式振动发电机；有限元仿真中图分类号：TH122文献标识码：A文章编号：1004-1699(2015)03-0352-05应用微机电加工技术制造的压电式振动发电机料的可承受大载荷的压电振动发

7、电机。J。为了提可以无限、持续地为各种低功耗电子器件提供能量，高发电能力，Wang等设计了输出电能密度较高的鼓有效地解决了无线传感器网络在苛刻工作环境中能型压电振动发电机J。但由于鼓型压电发电机的源供给难题l】J。但是，目前压电发电的输出功率谐振频率一般在200Hz以上，使得鼓型压电发电机依然很有限，严重地阻碍了这一技术的更广泛应用，在低频环境下难以产生谐振而致使输出功率较低。如何有效地提高压电发电装置的发电能力是当前需胡洪平等采用螺旋状双压电陶瓷片作为发电元要解决的关键问题。近年来，已有研究表明，压电体件J。其特点是体积小、能微型化和稳定性好

8、，并的发电能力主要取决于压电振子的材料性能、结构能有效降低结构固有频率，然而，由于螺旋状双压电参数、基振频率和激励方式等。陶瓷片面积较小，因此收集电荷