半电极压电纤维能量收集建模与仿真.pdf

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1、2014年第9期仪表技术·9·半电极压电纤维能量收集建模与仿真单鑫，汪小华(中国科学与技术大学自动化系，安徽合肥230027)摘要：为改善圆柱形压电纤维的发电能力，对其进行理论分析，建立了半电极压电纤维的能量收集效率与纤维截面内外径比、外部压电层与金属芯柔度比及纤维的机电耦合系数之间的关系。使用数学建模的方法，讨论了收集效率与这三个参数之间的理论方程，并且进行仿真实验。结果表明：在纯弯矩作用下半电极压电纤维的能量收集效率随着机电耦合系数的增大而提高．随柔度系数比的增大而减小，随着半径比的增大先增大后减

2、小。关键词：压电；半电极压电纤维：仿真中图分类号：TP391文献标志码：A文章编号：1006—2394(2014)09—0009—03TheoreticalModelandSimulationsoftheSemi．electrodePiezoelectricFiberSHANXin．WANGXiao—hua(DepartmentofAutomation，UniversityofScienceandTechnologyofChina，Hefei230027，China)Abstract：Toimprov

3、eharvestpowerthroughthecylindricalpiezoelectricfiber，themathematicaltheoryanalysisisinvestigated．Wediscusstherelationshipbetweentheenergycollectionefficiencyandthefiberradiusratio，theelasticcoe踊cientratiooftheouterpiezoelectriclayerandtheinnermetalcorea

4、ndtheelectromechanicalcouplingfactoroftheentirefiber．Amethodispresentedformathematicalmodeling．Thetheoreticalequationandthesimulationsaretested．Theexperimentalresultshowsthat，withpurebendingmoments，theeficiencyincreaseswiththeincreasingofelectro—mechani

5、calcouplingfactor，thedecreasingofelasticcoeficientratioandtheincreasingofthefiberradiusratio．Keywords：piezoelectricity；semi-electrodepiezoelectricfiber；simulation本文通过理论建模和仿真分析，研究了半电极压0引言电纤维的材料参数、几何参数和纯弯曲的激励方式对通过收集环境中的振动能量转换为电能并且为无能量收集效率的影响规律．以提高半电极压电纤维在

6、线传感器网络等低功率器件供能是当前研究的一个热具体工作环境中的能量收集能力。点。利用压电原理转换的装置由于具有结构简单、便1半电极压电纤维的理论模型于与微机械系统集成等优点获得了广泛的研究。由于传统的压电发电装置是悬臂梁装置，关于其理论研究圆柱形半电极压电纤维横截面图如图1所示。内比较成熟．但是这种形状的压电装置具有易脆、极化方部为金属芯，外部为压电层，当受到外力或振动时，发向受限等缺点。而含金属芯的压电纤维能有效克服上生形变。述缺点，但在能量收集中的利用和分析还未见公开报根据压电耦合方程，在压电功能

7、层中，有本构关导。系：当圆柱形压电纤维极化以后。金属芯作为电极的S一-El1+d31E3(1)一端，克服了悬臂梁结构中极化中间非压电层的问题。=d31+s3T3E3(2)然而圆柱形压电纤维的各种理论并不是非常完善，不金属芯满足弹性关系：同形状不同压电材料，不同的材料结构对于能量的转5m一mm。。(3)化效率大为不同．压电层的厚度同样对转化效率有较式中：上标P代表压电，上标m代表金属芯，s，分大地影响，所以在工业应用上，需要对其进行优化，以别是沿纤维长度方向的应变和应力，，E是沿径向改善其性能。的电感应

8、强度和电场强度。d是压电系数，s是柔度收稿日期：2014—04基金项目：国家自然科学基金资助项目(51005224)作者简介：单鑫(1989一)，男，硕士研究生，主要从事微机械方向的研究。·l0·仪表技术2014年第9期÷订(一1Ⅱ，2)}d(1。)计算纤维在纯力矩作用下的能量收集，则对纤维上的任一点。可以求出力矩：1(rs瑚+：』：(一1d。。E。)r2sindrd+I奎j1：y-电极纤维截由图J=-1，c(rsinrdrd系数，是介电常数。11(4+