1、 江苏科技大学 本科毕业设计说明书 压电换能器设计与能量获取特性研究 学 院 船舶与海洋工程学院 专 业 热能与动力工程 学生姓名 雍学国 班级学号 0640201134 指导教师 马哲树 二零一零年六月江苏科技大学本科生毕业设计（说明书） 2 第一部分：内容简介 在人们生活环境中，存在许多低频率的外界振动，如：车子与船舶行进时的振动，人类行走时产生的晃 等，而压电材料具有机电能量转换的特性，因此可将振动能转换成电能，以达到能源回收再利用的目的。 本论文针对单层压电 悬臂 梁 在其自由端放置质量块的情况下进行低频振动的能量获取 特性 研究。首先 依据低频环境振动的特点，建立了以末端固定质量块的
2、压电悬臂梁结构作为换能元件的振动能量采集装置的模型 ；然后， 在对压电材料的特性 、 电流等效电路分析的基础上，推导出 了 能量采集装置谐振频率 、 输出电压及输出电功率的 计算模型公式；进一步，结合现有的台湾成功大学的试验结果，对比了基于本人导出模型给出的理论结果和试验结果，二者相差不大表明本文模型的有效性和准确性；最后，给出了压电悬臂梁能量获取特性随几何尺寸和频率的变化规律。 第二部分：设计思想 图 1 压电悬臂梁的结构示意图 图 1 给出的 模型 为压电悬臂梁两层结构，以 PZT 为压电薄膜材料，以不锈钢为压电悬臂梁型的结构。通常微加工技术，在绝缘体上不锈钢存底上制备较厚的压电薄膜，不锈
3、钢层 作为主要弹性层。 为了降低谐振频率，在自由端固定以质量块，使之在环境振动频率下能够给实现共振，从而满足最大电能输出 15。工作时，质量块和压电悬臂梁一起振动，上下两个表面所受到应力相异，即上表面受到压应力，则下表面受到拉应力，反之亦然，因此上下电极所产生的电荷极性也相反。依据正压电效应，压电层表江苏科技大学本科生毕业设计（说明书） 3 面将产生电荷，从而在上下两个电极之间产生电势差，利用转换电路可将该电能输入到储能元件中，或直接作为微功耗负载的供电电源 16,17。 第三部分：计算方法 压电悬臂梁的工作原理是 :在压电层的上下电极之间施加交变 电压，由于逆压电效应，在压电层上将产生相应的
4、变形从而带动微悬臂梁振动。同时，由于正压电效应，微悬臂梁的振动在压电层上将产生电荷的积聚，其总电荷 18为Q=Q1+Q2+Q3+QP,其中 Q1, Q2, Q3 分别为压电层的空间 3 个方向上发生应变而产生的压电电荷； QP 为由于激励电压的作用，在压电层的等效电容上聚集的电荷。在压电层发生应变产生的压电电荷中，由于微悬臂梁的振动（沿水平方向）引起的压电膜在水平上应变（拉伸和收缩）而产生的压电电荷远大于其他方向压电产生的电压，因此可以忽略由其他两个方向应变产生的压电电荷。 总电荷量为： Q=Q1+QP 其中， Q1=d31EPS1A.式中， A 为压电膜的面积： S1 为压电层在水平方向上的应变：EP 为压电层材料的弹性模量： d31 为压电层的压电常数。 图 2 电压层等效电流源 对 Q(t)的式子求导可得电流 I(t)的表达式： I(t)=dQ(t)/d(t)=u(t)- PVP(t) (3-1) Cp=s33bl/h1, (3-2) =e31(h1+h2)b/l (3-3) 式中： Vp 压电层的开路电压，假设内部电流源独立于外部阻抗，则 Vp 忽略不计； u(t)为梁自由端的纵向位移， u(t)即为电流源； e31 电层的压电常数； h1和 h2 分别为压电层和中间层的厚度； b 和 l 分别为梁的宽度和长度； s33 为介电
