新型多層懸臂梁壓電發(fā)電裝置的發(fā)電性能研究.pdf

1、自然環(huán)境中的振動(dòng)能量無(wú)處不在，如何利用環(huán)境中的振動(dòng)能量，并將環(huán)境中流失的振動(dòng)能收集起來(lái)，為無(wú)線(xiàn)傳感器等小型電子設(shè)備供電，從而替代或減少外部電源及充電電池的使用，在過(guò)去十年中吸引了來(lái)自機(jī)械、電子、土木和材料科學(xué)等不同工程領(lǐng)域的研究人員的廣泛關(guān)注。目前，懸臂梁式壓電發(fā)電裝置是最為常用的振動(dòng)式能量收集器，主要通過(guò)壓電陶瓷片的壓電正效應(yīng)，將振動(dòng)能轉(zhuǎn)成電能。由于該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，不會(huì)向環(huán)境中排放有毒有害物質(zhì)，限制條件較少等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成

2、為一種新型的節(jié)能環(huán)保發(fā)電裝置。
　　本研究提出了一種新型的多層懸臂梁壓電發(fā)電裝置，改進(jìn)了傳統(tǒng)多層結(jié)構(gòu)中懸臂梁組件和質(zhì)量塊組件這兩部分的組成方式，以解決傳統(tǒng)多層結(jié)構(gòu)中各層發(fā)電量不均勻及質(zhì)量塊連接等問(wèn)題，并可進(jìn)一步提高壓電發(fā)電裝置的發(fā)電能力。本文主要研究該新型多層懸臂梁壓電發(fā)電裝置中每個(gè)壓電雙晶懸臂梁的發(fā)電性能，對(duì)其進(jìn)行了理論分析，包括諧振頻率的求解和能量的轉(zhuǎn)換計(jì)算。分別建立了在自由端外力及基座激勵(lì)作用下壓電懸臂梁的輸出電壓和壓電等效

3、電路理論模型，用來(lái)分析不同激勵(lì)條件下壓電雙晶梁的開(kāi)路輸出電壓和輸出功率?；贏NSYS12.0有限元軟件，建立了三層懸臂梁壓電發(fā)電裝置的有限元模型，對(duì)裝置進(jìn)行了靜力分析和模態(tài)分析。整體的有限元分析結(jié)果證實(shí)該多層發(fā)電裝置每一層的應(yīng)力和變形規(guī)律基本一致，符合懸臂梁結(jié)構(gòu)的典型特征。在此基礎(chǔ)上，建立了單層懸臂梁的壓電耦合有限元模型，分析了每一層懸臂梁模型的固定端（基座）在承受外界激勵(lì)載荷作用時(shí)的電壓分布和電壓響應(yīng)曲線(xiàn)。制作了三層壓電發(fā)電裝置，并

4、搭建試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)裝置的應(yīng)力、固有頻率和開(kāi)路輸出電壓進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以及對(duì)發(fā)電裝置進(jìn)行了模態(tài)分析和動(dòng)態(tài)發(fā)電特性分析。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，多層壓電發(fā)電裝置中的每一個(gè)壓電懸臂梁都與相同尺寸和材料的經(jīng)典壓電懸臂梁具有一致的輸出電壓及固有頻率。最后對(duì)壓電發(fā)電裝置在振動(dòng)模式下進(jìn)行了模態(tài)測(cè)試及發(fā)電電壓的測(cè)量，得到壓電發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)的固有頻率及發(fā)電電壓情況，將實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果、理論計(jì)算結(jié)果以及有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)三者基本吻合，從而驗(yàn)證了理論模型和有限元模