1、 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 班级学号 指导教师 二零一零年六月 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
2、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
3、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 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
4、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
5、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 4 常数。压电薄膜的上下两表面分别沉积了金属电极，中间的 PZT 材料为绝缘体， 这样就构成一个电容器，等效电容为 Cp当只考虑正压电效应时，压电薄膜可以 等效为图中的电流源。 （1）输出电输出电压输出功率的推导压输出功率的推导 基于振动的压电悬臂梁以不规则的随机突发的形式提供能量。 这种间歇性的 充电装置必须等到在一个专门设计的过度电容中积累了足够的能量之后， 才能再 把这些能量传给储能装置，或者电源调整器。 压电元件的振动将产生交流电压
