悬臂梁式压电换能器能量获取特性研究

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1、第9期机械设计与制造2010年9月MachineryDesign＆Manufacture183文章编号：1001—3997(2010)09—0183—02悬臂梁式压电换能器能量获取特性研究木顾威王群凡梅欢欢马哲树(江苏科技大学船海学院，镇江212003)OnenergyharvestingcharacteristicsofacantileverpiezoelectriccompositetransducerGUWei，WANGQun-fan，MEIHuan-huan，MAZhe-shu(SchoolofNavalArc

2、hitectureandOceanEngineering，JiangsuUniversityofScienceandTechnology，Zhenjiang212003，China)【摘要】研究了悬臂梁式金属一陶瓷压电复合换能器的工作机理，运用有限元理论，借助ANSYS软件建立了压电换能器的有限元分析模型，通过模态分析得到了其固有频率；并且在模型表面施加动载荷，通过瞬态分析，获得了一般环境周期载荷频率和固有频率载荷下换能器的电压输出情况，为今后研究此类换能器的环境吸能特性和可能的应用场合提供了理论依据。关键词：悬臂梁压

3、电换能器；有限元分析；环境吸能【Abstract】Principleofacantalevermetal—ceramicscompositepiezoelectrictransdueerisdiscussed．BasedonANSYSsimulationenvironment,finiteelementmodelisestablishedtoanalyzeenergyharvestingcharacteristicsofthestudiedttansdueer．Naturalfrequencyofthecantilev

4、ertransdueerisgained．Energyharvestingcharacteristicsofthestudiedtransducerunderloadswithdifferentenvironmentalforcedfre——quenciesaregainedandcompared．Keywords：Cantileverpiezoelectrictransducer；Finiteelementanalysis；Energyharvesting、驴舻舻廿、驴《舻q》驴《、驴、驴口舻、驴驴q也4c母、廿、矿

5、驴舻廿廿、驴、驴舻、0廿≮》口、驴口、、驴、驴》、驴、p廿、驴q、廿p、、—≯p、口中图分类号：TH16，TP212．6文献标识码：A随着集成电路和微机电系统技术的发展，小尺寸、低成本、低换效率。能耗的大型无线传感器网络得到了突破性的发展，它们在建筑物本文对悬臂梁式陶瓷一金属压电复合换能器的压电性能进行健康监测、环境监测、公共安全、军事以及医学等领域有着广阔的了有限元分析，在得到其固有频率后，进一步研究了不同环境振应用前景。这些无线传感器件绝大部分都是采用电池供能，但是动频率下换能器的电压输出，对压电换能器的环境吸能特

6、性进行由于电池存在尺寸大、寿命有限和需要更换等缺点，在一些无线了分析。传感器网络中的应用受到了限制。于是人们开始寻找有效的将运1悬臂梁式金属一陶瓷压电复合换能器动、振动、流体等自然存在的机械能转换成电能提供给无线传感压电陶瓷材料未极化的压电陶瓷材料是各向同性的，不具器件，来替代传统的电池供能模式，称为环境吸能技术(energy有压电性，必须经过极化之后才具有压电性能，极化过程进行得harvesting／scavenging)⋯。是否充分对材料的性能有很大的影响。可以通过改变压电陶瓷的在将机械能转换成电能的环境吸能技术当

7、中，压电转换方化学组分或添加杂质来改变其各方面的性能，以适应各种不同的式具有很多优点，如在不需要提供初始电压的情况下可以直接用途181。产生一定的电压，是目前国外研究微电子设备无电源化工作主悬臂梁式陶瓷一金属压电复合换能器采用PZT一5A压电陶瓷要思路和研究热点I】1。Torah等[2t提出了一种通过环境振动源作作为压电材料，其结构，如图1所示。用下的压电振动为节点式无线监测传感器系统(ACMS)供能的思路。Frank等I，J分析了建立在Rayleigh—Ritz方法之上的不同结构悬臂梁式压电换能器的换能特性，研究表明

8、三角形截面梁的能量获取能力优于长方形截面梁。Henry等[51着重研究了收集利用压电效应转换来的电能的技术，为将来可能的日常使用压电换能设备提供了希望。Ge价ev等呗Ⅱ研究了一种基于压电效应将环境能转换成电图1悬臂梁式金属一陶瓷压电换能器模型能的能量收集电路，其对压电换能器的实际能量获取利用具有下层为压电陶瓷材料，尺寸为长lOOm