压电悬臂梁设计方案
压电智能悬臂梁的压电片位置_尺寸及控制融合优化设计
1.1
悬臂梁的压电传感与致动方程
i (t ) + 2ciωi q i (t ) + ωi2 qi (t ) = ∑ Bij U aj q
j =1
m
(5)
根据压电片和基板的耦合分析[5]，第 j 对压电 传感器上的电压为
式中 ci 为第 i 阶模态阻尼， ωi 为第 i 阶固有频率， Bij = K a [Φi ′( x j 2 ) − Φi ′( x j1 )] ，i=1,2,…, n，j=1,2,…, m。 1.2 压电智能悬臂梁的状态方程 ) ，由式(5) 可得到状 引入状态矢量 X (t ) = ( q, q
压电致动器在控制电路输入电压的作用下产 生应变，对悬臂梁产生力矩作用，在 m 个压电致动 器共同作用下悬臂梁受到的分布力矩为[5]
M a ( x, t ) = ∑ K aU aj [h( x − x j1 ) − h( x − x j 2 )]
j =1 m
(3)
式中
h(x) ——Heaviside 阶跃函数 Uaj ——第 j 片压电致动器的输入电压
(
)
(
)
(14)
= AX X (9) 设系统的初值为 X(0)，则 t 时刻方程式(9)的解为 (10) X (t ) = exp ( At ) X (0)
根据 Bellman 理论有 )t = exp ( At ) − ε I + o(ε 2 ) (15) exp ( A − εΔBGC 0
吕
蕊1
俞
洁2
苏州 215011)
213022；2. 苏州电器科学研究所
摘要：对压电智能悬臂梁振动控制中的压电片的位置、尺寸及其控制参数进行研究。在对压电片和基板的耦合特性进行分析 的基础上，建立智能悬臂梁的压电传感、致动方程及基于闭环控制系统的状态方程，并以系统的存留能量作为目标函数，建 立压电智能悬臂梁压电片的位置、尺寸和控制参数的优化模型及一阶灵敏度分析表达式，并采用移动渐进线法(Method of moving asymptotes，MMA)对模型进行求解。采用 Simulink 对优化结果的动态响应特性进行仿真分析，仿真结果表明，采用 提出的优化模型及算法对悬臂梁压电片的位置、尺寸和控制参数进行优化是合理的。 关键词：智能悬臂梁 中图分类号：O327 压电片振动控制 TB123 结构/控制融合设计
压电微传感器悬臂梁结构的优化设计
压电微传感器悬臂梁结构的优化设计
摘要：压电微传感器是一种利用压电材料的特性进行物理量测量的微型传感器。
悬臂梁结构是压电微传感器中常用的结构形式之一。
本文通过对压电微传感器悬臂梁结构的优化设计研究，探讨了如何提高传感器的灵敏度和稳定性。
关键词：压电微传感器；悬臂梁；优化设计；灵敏度；稳定性
引言：压电微传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高等特点，广泛应用于机械振动、压力、温度等物理量的测量。
悬臂梁结构是压电微传感器中常用的结构形式，其通过压电材料的挠曲效应实现对外界物理量的测量。
然而，目前悬臂梁结构的设计存在灵敏度低和稳定性差的问题，需要进行优化设计。
方法：本文首先分析了悬臂梁结构的工作原理和设计参数，包括悬臂梁的长度、宽度、厚度等。
然后，通过有限元仿真软件对不同设计参数下的悬臂梁结构进行模拟分析，得出了不同参数对传感器灵敏度和稳定性的影响。
最后，根据仿真结果进行优化设计，得到了一种灵敏度和稳定性均较高的悬臂梁结构。
结果与讨论：通过优化设计，我们得到了一种长度为L、宽度为W、厚度为H的悬臂梁结构，其灵敏度和稳定性均较高。
在实验中，我们对该结构进行了振动测试和压力测试，结果表明该
结构能够准确且稳定地测量外界物理量。
同时，我们与传统的悬臂梁结构进行了对比，发现优化设计的悬臂梁结构在灵敏度和稳定性方面有明显的改善。
结论：本文通过对压电微传感器悬臂梁结构的优化设计研究，提出了一种灵敏度和稳定性较高的结构。
优化设计的悬臂梁结构可以提高传感器的测量精度和可靠性，具有较好的应用前景。
在今后的研究中，可以进一步优化设计参数，探索其他结构形式，提高压电微传感器的性能。
低刚度高谐振频率的新型微压电悬臂梁探针的结构设计
传 感 技 术 学 报
CHIN ES E J OU RNAL O F S ENSORS AND ACTUA TORS
Vol . 19 No. 5 Oct . 2006
Structural Design of Novel Micro Piezoelectric Cantilevers with Lo w Stiffness and High Resonance Frequency
1350
传 感 技 术 学 报
2006 年
对于不等截面的悬臂梁 , 可先将其分成若干个 等截面的梁 ,图 2 中的悬臂梁可简化为由两个等截 面梁组成的悬臂梁 , 其中自由端三角形部分简化为 矩形 ,如图 4 所示 ; 在单独计算每个等截面梁的抗弯 刚度后 ,再综合计算整个复合梁的弹性常数 .
图1 新型压电探针阵列单元结构示意图
与传统的压电探针相比 , 新型探针由两部分组 成 ,便于分开加工 , 减少工序之间的相互制约 . 在以 往的 探 针 中 , 针 尖 和 压 电 层 位 于 悬 臂 梁 的 同 一 侧
[ 1 ,8 ]
图2 探针阵列单元结构及悬臂梁自由端放大图
1. 2 新型压电探针加工工艺安排
Abstract :Based o n t he applicatio ns in ult ra2high2densit y data storage , a novel micro piezoelect ric cantilever is designed , and t he p ro be fabricatio n p rocess arrangement is made as well . Af ter a mo re accurate cantile2 ver model is fo unded , formulas of elastic co nstant and reso nance f requency are educed fo r no n2rectangle cro ss2sectio ned multi2layered co mpo sed cantilever s. Calculated wit h t hese formulas , t he elastic co nstant and reso nance f requency of t he designed cantilever p ro be are 4 N/ m and 245 k Hz , respectively. By st ud2 ying t he effect s of cantilever ’ s geo met ric parameter s o n mechanical performance , t he cantilever st ruct ure is op timized for ult ra2high2densit y data storage. Key words :ult ra2high2densit y data storage ; micro piezoelect ric cantilever ; st ruct ural design ; stiff ness ; res2 o nant f requency EEACC :2575 ;2860
一种基于悬臂梁式压电双晶片的能量收集器设计
一种基于悬臂梁式压电双晶片的能量收集器设计张倩昀;梁国凯;梁朝芳【摘要】,从悬臂梁式压电能量收集器结构设计和能量收集电路设计两方面出发,介绍了一种基于悬臂梁式压电双晶片的能量收集器设计.结构设计上,选用矩形结构悬臂梁式基板和矩形结构压电片的组合方式.压电双晶片采用并联连接,共同构成了压电能量收集器结构.从电路设计上,通过四倍增压电路对压电陶瓷片上因振动产生的交流电压进行整流、滤波和升压,并采用芯片Max1811高集成度电池充电器对所得直流电进行存储,获得了可为发光二极管供电的直流电压.电路分析与实验测试表明,设计的能量收集器能够实现对外界振动能量的收集.【期刊名称】《通信电源技术》【年(卷),期】2018(035)006【总页数】3页(P90-92)【关键词】压电陶瓷;悬臂梁;能量收集;Max1811【作者】张倩昀;梁国凯;梁朝芳【作者单位】西安航空学院电子工程学院,陕西西安 710077;西安航空学院电子工程学院,陕西西安 710077;中航工业西安飞机工业有限责任公司,陕西西安710089【正文语种】中文0 引言社会发展应以能源应用为前提。
生活中，振动无处不在。
一方面周围环境振动会在结构上造成损伤，缩短结构使用寿命；另一方面，振动会对环境带来噪声污染。
如果可以将这些振动能量收集起来转换为电能并采集利用，不但能够减少结构损伤，降低结构推护成本，而且可以降低噪声。
因此，对振动能量的采集是人们需要关注和解决的问题。
振动能量的采集通常有三种方式：电磁式[1-3]、静电式[4-5]和压电式[6-10]。
电磁式技术较成熟，能量转换效率较高，但其机构复杂、体积较大。
静电式可方便与微机电系统结合，但产生的电能很难实现器件商业化。
压电式原理是基于压电效应，即压电材料在外力作用下产生电荷。
近年来，压电能量采集技术受到了广泛关注。
作为长期甚至无限生命周期的自主供电系统，压电能量收集器在一些不便更换电池或者希望避免电池更换场合具有广阔的发展空间。
压电悬臂梁发电装置的建模与仿真分析
压电悬臂梁发电装置的建模与仿真分析一、本文概述随着能源危机和环境问题的日益突出，绿色、可再生的能源技术成为了全球研究的热点。
其中，压电发电技术作为一种新型的无源能量收集方式，因其能够将环境中的机械能转化为电能，受到了广泛关注。
压电悬臂梁作为压电发电装置的核心部分，其发电性能直接影响到整个装置的能量转换效率。
因此，对压电悬臂梁发电装置的建模与仿真分析，不仅有助于深入理解其发电机制，而且可以为装置的优化设计提供理论依据。
本文旨在探讨压电悬臂梁发电装置的建模与仿真分析方法。
我们将对压电悬臂梁的基本工作原理进行概述，包括压电效应的基本原理和压电悬臂梁的工作机制。
我们将详细介绍压电悬臂梁发电装置的建模过程，包括力学模型、电学模型以及机电耦合模型的建立。
在此基础上，我们将利用仿真软件对模型进行仿真分析，研究不同参数对压电悬臂梁发电性能的影响。
我们将总结分析结果，提出优化压电悬臂梁发电装置的建议和展望未来的研究方向。
通过本文的研究，我们期望能够为压电发电技术的发展提供有益的理论支持和实践指导，推动其在能源收集领域的广泛应用。
二、压电悬臂梁发电装置理论基础压电悬臂梁发电装置的核心理论基础主要源于压电效应。
压电效应，即某些晶体在受到机械力作用时，其内部正负电荷中心会发生相对位移，从而在晶体表面产生电势差的现象。
这种效应允许机械能直接转化为电能，为悬臂梁发电装置提供了理论基础。
在压电悬臂梁发电装置中，悬臂梁作为主要的能量转换元件，当受到外部激励（如风、振动等）作用时，梁体会发生形变，进而产生压电效应。
此时，悬臂梁的表面会产生电荷分布，形成电势差，从而输出电能。
为了深入理解和优化压电悬臂梁发电装置的性能，需要对其进行数学建模。
常见的建模方法包括集中参数模型和分布参数模型。
集中参数模型主要关注悬臂梁的整体动态特性和压电效应，适用于低频、大振幅的情况。
而分布参数模型则考虑悬臂梁的详细结构和振动模态，适用于高频、小振幅的情况。
悬臂梁压电发电装置的实验研究
振 动 与 冲 击第28卷第7期JOURNAL OF V I B RATI O N AND SHOCKVol .28No .72009 悬臂梁压电发电装置的实验研究基金项目:黑龙江省自然科学基金(E200614)和哈尔滨工业大学科研创新基金资助(H I T N.SR I E .2008.50)收稿日期:2008-06-30 修改稿收到日期:2008-08-29第一作者袁江波男,博士生,1983年生袁江波,谢 涛,陈维山,肖 娜(哈尔滨工业大学机电工程学院,哈尔滨 150001) 摘 要:为了进行压电陶瓷材料发电性能测试与研究,研制了一套悬臂梁压电振子发电系统。
设计了悬臂梁压电振子,并对压电振子进行了有限元分析和电导测试。
在此基础上,设计了能量存储电路,并在低频下对悬臂梁压电振子发电性能进行了实验研究。
研究结果表明,当悬臂梁压电振子处于谐振频率状态下振动时,输出电压和功率达到最大。
输出电压随着负载的增大而增大,输出功率并不随着负载的增大而增大;压电振子存在—个最佳阻抗,当负载与最佳阻抗匹配时,此时压电振子的能量转化效率最高且输出功率最大。
利用本实验系统进行压电发电实验测试,当负载为50kΩ时,压电振子输出电压为7V;当负载电阻为15kΩ时,此时的输出功率最大可达到1.4mW ,产生的功率可以满足无线传感器等低耗能产品的供能需求。
关键词:压电悬臂梁;压电发电;有限元分析中图分类号:T N3 文献标识码:A 随着集成电路、ME MS 和便携式电子设备的应用日益广泛,以化学电池为其主要供能方式存在诸多弊端,如体积大、质量大、供能寿命有限,需要定期更换,以及由此所带来的材料浪费,环境污染等问题不容忽视,尤其对于目前发展日益迅速的无线网络和嵌入式系统来说时,电池供电的这种缺陷更明显。
因此,如何为这些低耗能的电子产品供能,已成为迫切需要解决的问题。
根据能量转换机理的不同,获取电能的有效方法可利用电磁式[1]、静电式[2]和压电式[3-7]等3类,与其它的发电原理相比,压电发电具有结构简单、不发热、无电磁干扰、无污染和易于实现机构的微小化、集成化等诸多优点,且能满足此类低耗能产品的供能需求而成为目前研究的热点[6]。
ZnO压电薄膜微悬臂梁的结构设计及研究
ZnO压电薄膜微悬臂梁的结构设计及研究张敏亮;谭晓兰;王峰【摘要】当压力作用在ZnO压电薄膜微悬臂梁上时,产生电荷量的大小将直接决定压电传感器灵敏度的高低.根据等效截面法,推导了复合微悬臂梁所受的作用力与其产生电荷量的关系方程,为传感器标定和力的测量提供理论依据,并依据此转换方程,对压电微悬臂梁的结构尺寸进行比较分析,以提高传感器的灵敏度和分辨率.此研究为压电微悬臂梁压力传感器的结构优化设计提供了一定的参考.%When pressure is applied on the piezoelectric micro-cantilever with ZnO thin film, the sensitivity of the sensor can be directly determined by the generated charge. This paper deduces the equation, which is used to consider the relationship between the F and the Q, of the multi-layer micro-cantilever by the method of equivalent cross section. It provides the theoretical basis for the force measurement of the sensor. As compared with the micro-cantilever structure size, its sensitivity and resolution are improved. This study gives a reference to the design and optimization of the piezoelectric micro-cantilever pressure sensor.【期刊名称】《机械制造与自动化》【年(卷),期】2013(042)001【总页数】3页(P31-32,62)【关键词】微压力传感器;微悬臂梁;ZnO薄膜;力-电荷量方程【作者】张敏亮;谭晓兰;王峰【作者单位】北方工业大学机电工程学院,北京100144;北方工业大学机电工程学院,北京100144;北方工业大学机电工程学院,北京100144【正文语种】中文【中图分类】TH12本文介绍采用MEMS技术制作的压电薄膜应用于微传感器、微驱动器和微执行器等。
具有激振和测振的新型压电微悬臂梁设计(精)
675
图 1 压电微悬臂梁结构示意图 Fig. 1 Cross section of piezoelect ric microcantilever
复合微悬臂梁固有频率可以表示为[16] :
fi
=
λ2i 2πL 2
∑Ei I i Aρc
=
λ2i 2πL 2
∑ ∑ Ei I i
mc/ L
,
ρc hc
美国明尼苏达大学曾设计了一种双层 PZT 压电材料的复合微悬臂梁[13] ,具有激振和敏感功能 ,其结 构复杂 ,制作难度高. 荷兰团特大学 ( U niver sit y of Twente) 对压电激振作了电学模拟[14] . Weinberg 则对 与压电激振和敏感相关的工作方程进行了较为充分的研究[15] .
;
(5)
式中 , h 为微悬臂梁的总厚度 , Ep , vp , hp , zp 分别是 PZT 的杨氏模量 、泊松比 、PZT 薄膜的厚度及其厚度中
心至微悬臂梁中平面的距离.ε3T3 和 k31 是 PZT 薄膜的自由介电常数和耦合系数 , d31 为 PZT 的压电系数 ,
A
a e
为激振电极面积
n
∑ ∑ Y (jω)
= Io Ui
=
jωA
s e
εT 33
(1 hp
k231 )
+
∞ n=1
4 (1
jω
- vp ) 2 hp
A
a e
Ep2
d231
zp
h{
[ <′n ( xi1 ) - <′n ( x i2 ) ]} 2
i =1
ω2n [ 1 + (jω/ωn) 2 + (jω/ωn) / Qn ] M n
机械毕业设计1512新型蝴蝶式压电悬臂梁的发电性能研究
机械毕业设计1512新型蝴蝶式压电悬臂梁的发电性能研究摘要：本文针对压电发电技术进行研究，设计了一种新型的蝴蝶式压电悬臂梁，并进行了发电性能的实验研究。
通过改变悬臂梁的尺寸、材料和施加的压力等条件，研究了其对发电效果的影响。
实验结果表明，该新型压电悬臂梁能够有效地转换机械能为电能，并具有较高的发电效率。
关键词：压电发电；悬臂梁；发电性能；蝴蝶式；机械能；电能1.引言压电发电技术是一种将机械能转化为电能的新型能源技术，具有广阔的应用前景。
悬臂梁作为压电发电装置的主要组成部分，具有较高的敏感性和稳定性。
然而，传统的悬臂梁结构存在一些缺点，如发电效率低、尺寸大等。
因此，设计一种新型的蝴蝶式压电悬臂梁来提高发电效果十分必要。
2.压电发电原理压电发电是利用一些材料在受到机械应力作用时，产生正比于机械应力大小的电荷差，从而转化为电能的一种技术。
压电材料具有压电效应，即在外加压力作用下会出现电荷分布不均的现象。
当压力取消时，电荷分布也会消失。
3.设计方案本文设计了一种新型的蝴蝶式压电悬臂梁，该结构由两个对称的悬臂梁组成，通过连接杆连接在一起。
悬臂梁材料选用高压电系数的压电材料，如PZT陶瓷。
通过对悬臂梁施加压力，使其产生变形，从而引起电荷的不均匀分布。
4.实验方法在实验中，我们改变了悬臂梁的尺寸、材料和施加的压力等条件，分别进行了实验。
通过测量悬臂梁产生的电荷差和加载压力的关系，来评估其发电性能。
5.实验结果与分析实验结果表明，随着悬臂梁尺寸的增大，压电效果也增强。
而压力越大，发电效果也越明显。
另外，通过选择合适的压电材料，也可以提高悬臂梁的发电效率。
6.总结通过实验研究，我们设计了一种新型的蝴蝶式压电悬臂梁，并进行了发电性能的研究。
实验结果表明，该新型悬臂梁能够有效地转化机械能为电能，并具有较高的发电效率。
这为进一步研究和应用压电发电技术提供了理论和实验基础。
[1]张三，李四.蝴蝶式压电悬臂梁的设计与分析[J].机械工程学报，20XX。
体硅压电悬臂梁
体硅压电悬臂梁设计目前制作压电悬臂梁的常用方法是体硅加工工艺和面硅加工工艺．本文选用体硅工艺，通过湿法刻蚀与干法刻蚀相结合实现悬臂梁的释放和表面图形化．压电悬臂梁制作工艺流程如图1 所示．首先，将双面抛光5.08 cm 单晶硅片清洗后放入高温氧化炉中，在表面生长约1.4 μm 厚的SiO2薄膜( 见图1( a) ) ．然后，利用干法刻蚀机刻蚀背面SiO2硅杯窗口，再用SiO2做掩膜干法刻蚀硅杯( 见图1 ( b) ) ，刻蚀深度为160μm．刻蚀后，在背面形成一个凸起的硅岛部分，即悬臂梁质量块结构．由于干法刻蚀具有刻蚀精度高、大面积刻蚀均匀性好、高刻蚀纵宽比和高选择比、保持侧壁陡直等优点，因此本文采用干法刻蚀进行悬臂梁质量块的刻蚀，可得到形状规则的质量块结构，避免了侧蚀问题．光刻,双面对准，采用湿法腐蚀正面SiO2窗口( 见图1( c) )。
由于背面SiO2氧化层对后续工艺没有影响，因此在此工艺中背面SiO2层没有保护，在腐蚀过程中直接被腐蚀液腐蚀掉．正面溅射Ti /Pt 底电极，溅射功率为300 W，并用王水和HF 酸腐蚀Ti /Pt，使底电极图形化( 见图1( d) ) ．Sol-Gel 法制备PZT 溶胶，通过旋涂甩胶的方法在Ti /Pt 底电极上制备PZT 压电层( 见图1( e) ).溅射Ti 和Pt 上电极，溅射功率为150 W，利用剥离法使上电极图形化( 见图1( f) ).制作PZT 绝缘保护层,在上电极旋涂PZT前驱体溶胶,经过350℃热处理，得到不定型的PZT薄膜做绝缘层.然后用PZT 腐蚀液腐蚀正面SiO2窗口内及上下电极焊盘处的PZT图2 压电悬臂梁制作工艺流程层(见图1( g) )．正面ICP 干法刻蚀悬臂梁( 见图1( h) ) ，刻蚀深度即悬臂梁的厚度．背面ICP 释放悬臂梁( 见图1( i) ) ．从背面刻蚀直到完全释放悬臂梁，最终完成制作压电悬臂梁。
（a）硅片双面氧化（b）干法刻蚀背面硅杯SiO（c）湿法腐蚀正面2（d）溅射Ti/Pt底电极及图形化（e）制备PZT压电层（f）剥离法制备上电极及图形化（g）制备PZT绝缘层及图形化（h）正面ICP刻蚀硅悬臂梁（i）背面进行悬臂梁释放Si SiO2Ti/PtPZT压PZT绝Si2SiO Ti/Pt PZT压电层PZT绝缘层图1 压电悬臂梁制作工艺流程。
机械毕业设计1512新型蝴蝶式压电悬臂梁的发电性能研究
本科生毕业设计毕业设计题目新型蝴蝶式压电悬臂梁的发电性能研究学生姓名专业机械设计制造及其自动化班级指导教师完成日期2014年5月30日中文摘要振动是一种很常见的物理现象，通过对振动能的收集，将振动能转换成电能，有利于缓解社会能源紧缺问题。
目前主要用来收集振动能的压电发电装置可以在各种存在振动的环境中工作，具有很好的应用情境。
而压电发电与无线网络传感器的结合，也使得其拥有更广阔的实用价值，且吸引了很多科研学者对其进行研究。
悬臂梁压电发电装置是现在最常见的振动能量采集装置，而这种装置的特点是结构简单，加工方便，可得到相对低的共振频率和较大的形变等。
本文基于前人的结构设计，运用Solid-works进行三维建模,并通过ANSYS有限元软件对蝴蝶式悬臂梁发电装置进行了静力分析以及模态分析，求解其谐振频率，并将计算结果与试验数据进行了对比，以验证有限元计算的正确性。
最后研究悬臂梁长度、宽度、厚度、形状等因素以及位移载荷对谐振频率的影响，最终确定最优化的结构设计参数。
关键词：振动，压电发电，有限元分析，结构优化AbstractVibration is a very common physical phenomenon, by collecting the vibration energy of the vibration energy into electrical energy will help alleviate the social problems of energy shortage. At present is mainly used to collect the vibration energy of piezoelectric power generation device can exist in a variety of vibration environment work, has the very good application situation. While the piezoelectric power generation combined with the wireless sensor networks also make it have more practical value, and attracted a lot of research scholars to study it.Cantilever piezoelectric power generation device is now the most common vibration energy collection device,and the characteristic of the device is simple in structure, convenient processing, can be relatively low resonance frequency and larger deformation etc.In this paper, based on previous structural design,Using Solid-works make three-dimensional modeling and the butterfly type cantilever beam generating device for static analysis and modal analysis by ANSYS finite element software to solve the problem of the resonant frequency, and the calculated results were compared with experimental data, to verify the correctness of the finite element calculation .Finally, study of cantilever factors such as length, width, thickness, shape and displacement loading effect on the resonance frequency,and ultimately determine the optimal design parameters.Key words：Vibration，Piezoelectric Power Generation Technology，FEA，Structural Optimization目录中文摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论 (1)1.1课题研究背景 (1)1.2压电发电技术的发展历史与现状 (1)1.2.1压电发电技术的发展历史 (1)1.2.2压电发电技术的发展现状 (2)1.3课题的研究意义 (3)1.4本章小结 (4)第二章新型蝴蝶式压电悬臂梁的模型构建 (5)2.1基本原理 (5)2.2经典单层压电发电悬臂梁 (6)2.3 Solid-works简介 (6)2.4 蝴蝶式悬臂梁压电发电装置 (7)2.5 本章小结 (8)第三章蝴蝶式悬臂梁压电发电装置的实验研究 (9)3.1 蝴蝶式悬臂梁压电发电装置实物的加工制作 (9)3.1.1单层压电振子的加工制作 (9)3.1.2蝴蝶式悬臂梁压电发电装置的加工制作 (10)3.2蝴蝶式悬臂梁压电发电装置的试验测试 (11)3.2.1压电发电结构的模态测试 (11)3.2.2压电发电装置的发电性能测试 (13)3.3本章小结 (15)第四章蝴蝶式悬臂梁压电发电装置的有限元分析 (16)4.1 有限元方法简介 (16)4.1.1 ANSYS Workbench概述 (16)4.1.2 Workbench的提供的分析类型如下: (17)4.2 蝴蝶式悬臂梁压电发电装置的有限元模型 (18)4.3 静力分析 (18)4.3.1概念 (18)4.3.2问题描述 (19)4.3.3求解步骤 (19)4.3.4静力分析结果 (23)4.4 模态分析 (25)4.4.1概念 (25)4.4.2问题描述 (25)4.4.3求解过程 (25)4.4.4模态分析结果 (26)4.4.5结果与实验数据对比 (27)4.5 蝴蝶式压电悬臂梁压电发电装置的性能研究 (27)4.5.1 梁长度对蝴蝶式压电悬臂梁装置发电性能的影响 (28)4.5.2梁宽度对蝴蝶式压电悬臂梁装置发电性能的影响 (28)4.5.3梁厚度对蝴蝶式压电悬臂梁装置发电性能的影响 (29)4.5.4梁形状对蝴蝶式压电悬臂梁装置发电性能的影响 (30)4.5.5位移载荷对蝴蝶式压电悬臂梁装置应力的影响 (31)4.6本章小结 (31)第五章总结与展望 (32)5.1 总结 (32)5.2 展望 (32)致谢 (34)参考文献 (35)第一章绪论1.1 课题研究背景近现代以来，产品的发展趋于小型化、微型化与集成化，而能源供应问题已成为制约产品微型化技术发展的瓶颈，其微型化问题受到普遍的关注。
压 电 悬 臂 梁 振 动 发
机械081 阮加智 机械
压电效应和压电材料
• 压电效应：不存在对称中心的异极晶体，受外力作用发生
机械应变时在晶体中诱发出介电极化或电场的现象(称为正压电效 应)，或者在这种晶体加上电场使晶体极化，而同时出现应变或应力 的现象(称为逆压电效应)。
• 压电材料：有机材料
压电发电的研究应用
• 我们每天跑步、跳跃、行走、活动，不断产生机械振 动能。压电发电技术瞄准的正是这些不起眼的能量， 将其收集起来有效利用。
• 传统化学电池：如体积大、质量大、供能寿命有限，需要定期
更换，以及由此所带来的材料浪费，环境污染等问题不容忽视。
压 电 悬 臂 梁 振 动 发 电 装 置 设计
实验数据对比
—stand-alone piezoelectric device 独立压电器件 —stand-alone electromagnetic device 独立电磁器件
—stand-alone piezoelectric device 独 立压电器件 —stand-alone electromagnetic device 独立电磁器件 —coupled energy harvesting device 耦合能量收集装置
—stand-alone,coupled device 独立的电荷耦合器件 —device impedance 设备阻抗 —piezoelectric damping 压电阻尼 —load resistance 负载电阻 —electromagnetic damping 电磁阻尼 —device coil resistance 设备线圈电阻
给质量块一个电磁场作用， 给质量块一个电磁场作用，观察电磁力 对悬臂梁末端振幅的影响， 对悬臂梁末端振幅的影响，是否对悬臂梁 发生共振起到帮助作用。 发生共振起到帮助作用。
多稳态悬臂梁式压电振动俘能器及设计方法
多稳态悬臂梁式压电振动俘能器及设计方法
多稳态悬臂梁式压电振动俘能器是一种利用压电效应将机械振动能转
化为电能的装置。
它由悬臂梁、压电陶瓷片和负载电阻组成。
当悬臂
梁振动时，压电陶瓷片会产生电荷，通过负载电阻将电荷转化为电能
输出。
多稳态悬臂梁式压电振动俘能器具有多个稳态工作点，可以在
不同振动频率下工作，具有较高的能量转换效率和较宽的工作频率范围。
设计多稳态悬臂梁式压电振动俘能器需要考虑以下几个方面：
1. 悬臂梁的设计：悬臂梁的长度、宽度、厚度和材料的选择会影响到
振动频率和振幅。
一般来说，悬臂梁的长度越长，振动频率越低，振
幅越大。
材料的选择也要考虑到其密度、弹性模量和损耗因子等因素。
2. 压电陶瓷片的选择：压电陶瓷片的厚度和尺寸会影响到输出电荷量
和输出电压。
一般来说，压电陶瓷片的厚度越大，输出电荷量越大，
但是输出电压也会随之降低。
压电陶瓷片的尺寸也要考虑到其与悬臂
梁的匹配程度。
3. 负载电阻的选择：负载电阻的大小会影响到输出电流和输出功率。
一般来说，负载电阻的大小应该与压电陶瓷片的输出电阻相匹配，以
达到最大功率输出。
4. 多稳态工作点的设计：多稳态悬臂梁式压电振动俘能器具有多个稳态工作点，需要根据实际应用场景选择合适的工作点。
一般来说，工作点应该在振动频率范围内选择最高的能量转换效率。
总之，设计多稳态悬臂梁式压电振动俘能器需要综合考虑悬臂梁、压电陶瓷片和负载电阻等因素，以达到最大的能量转换效率和最广的工作频率范围。
压电悬臂梁设计方案
压电悬臂梁设计方案1.支撑方式由于当外界作用力一定时，压电振子采用悬臂支撑方式的发电量最大。
故本方案采用悬臂支撑方式。
其示意图如下所示：图1 悬臂梁支撑方式示意图2.振动模态本方案采用LE模式，即形变方向垂直于所产生的电场方向，其示意图如下：图2 LE振动模态示意图3.压电悬臂梁整体结构示意图图3 压电悬臂梁整体结构示意图其中：L表示压电梁的长度；W表示压电梁的宽度；t p表示压电陶瓷晶片层的厚度；t s表示金属基板层的厚度；M表示质量块的有效质量；F表示作用于悬臂梁末端的外界激励。
4.实物效果图图4 压电悬臂梁结构效果图5.相关参数：（暂定）表1 压电振子制作相关参数表参数PVDF 基板（黄铜）密度（kg/m^3) 7600 7900弹性模量（Gpa) 60.6 206泊松比0.289 0.3L（mm）50 70W（mm）30 30/40H（mm）0.2 0.56.压电振子的制作金属基板清洗粘贴引出电极PZT-5H图5压电振子制作流程图1）金属基板的处理首先将铍青铜裁剪成所需要的尺寸，然后对其进行热处理：把铍青铜用两压板夹紧，以保证其平整；再将夹着铍青铜的夹板置于加热炉中加热2小时，温度设置为320度；等加热完毕后，将夹板取出，冷却至室温；然后用砂纸将热处理后铍青铜表明的氧化层除去。
2）清洗处理后的铍青铜和压电陶瓷片都必须用丙酮溶液清洗干净才可以粘贴:用镊子夹取适量脱脂棉花,蘸取适量丙酮溶液,反复擦拭金属基板和压电陶瓷表面。
注意在清洗过程中不能损伤压电陶瓷表面的键银电极。
3）粘贴将清洗干净的金属基板和压电陶瓷置于干净的试验平台上,取少量AB胶涂于压电陶瓷上,并将压电陶瓷粘贴于金属基板上,同时轻轻的按压相粘贴的压电陶瓷和金属基板,排出气泡,挤出多余的胶水,并用小刮板将周边的AB胶刮去。
等压电陶瓷与金属基板相粘贴后,可用平板压住压电振子。
由于AB胶的特殊性能,粘贴好的压电振子要在24小时后才能进行试验研究。
复合式压电悬臂发电梁设计与实验分析
复合式压电悬臂发电梁设计与实验分析马小青; 李帅波; 王喃喃【期刊名称】《《仪表技术与传感器》》【年(卷),期】2019(000)010【总页数】4页(P8-11)【关键词】复合式压电悬臂发电梁; 有限元分析; 模态分析; 压电发电【作者】马小青; 李帅波; 王喃喃【作者单位】石河子大学机械电气工程学院新疆石河子 832003【正文语种】中文【中图分类】TN384; TM6190 引言无线传感器以及各种便携式电子产品由于其体积小、灵活性大的特点越来越受人们的欢迎，在这些产品的推广过程中电池供电一直是其发展的难点。
压电悬臂发电梁因为其结构简单、体积小、寿命长以及不受电磁干扰的特点在无线传感器以及各种微电子产品的供电中发挥着重要作用[1-3]。
近年来压电振动能量采集技术已经成为了新型能量采集技术的研究热点，在压电振动能量收集技术的研究过程中，研究者需要解决的主要问题集中在压电振动能量收集装置的俘能带宽较窄以及装置的输出较小这两点问题上。
由于通常环境中的振动能量为低频振动并且一般在0～200 Hz的频带中，在压电悬臂发电梁采集振动能量过程中，要在该频段内充分发挥装置的发电特性，需要压电悬臂发电梁在该频段内处在共振状态，并且能够输出较大的输出电压。
大多数研究者采用选用多个悬臂梁组合在一块的方式来增加压电悬臂发电梁在收集振动能量时的带宽和输出特性[4]，还有一些研究者通过改变压电悬臂发电梁的结构的方式[5-6]来增加装置的俘能带宽，这些研究方法虽然能够提高装置的俘能带宽，但存在装置的结构比较复杂、稳定性不好的缺点。
本文主要利用有限元分析软件ANSYS仿真分析压电悬臂发电梁前六阶模态振型以及输出特性，在仿真分析的基础上对压电片进行分割，利用压电悬臂发电梁的弯曲模态和复合模态组成复合式压电悬臂发电梁，从而达到提高压电悬臂发电梁发电能力和输出效率的目的。
1 压电悬臂发电梁的工作原理压电悬臂发电梁在压电振动能量收集中比较常用，并且悬臂梁结构对环境中的振动非常敏感。
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压电悬臂梁设计方案
1.支撑方式
由于当外界作用力一定时，压电振子采用悬臂支撑方式的发电量最大。
故本方案采用悬臂支撑方式。
其示意图如下所示：
图1 悬臂梁支撑方式示意图
2.振动模态
本方案采用LE模式，即形变方向垂直于所产生的电场方向，其示意图如下：
图2 LE振动模态示意图
3.压电悬臂梁整体结构示意图
图3 压电悬臂梁整体结构示意图
其中：L表示压电梁的长度；
W表示压电梁的宽度；
t p表示压电陶瓷晶片层的厚度；
t s表示金属基板层的厚度；
M表示质量块的有效质量；
F表示作用于悬臂梁末端的外界激励。
4.实物效果图
图4 压电悬臂梁结构效果图
5.相关参数：（暂定）
表1 压电振子制作相关参数表
参数PVDF 基板（黄铜）密度（kg/m^3) 7600 7900
弹性模量（Gpa) 60.6 206
泊松比0.289 0.3
L（mm）50 70
W（mm）30 30/40
H（mm）0.2 0.5
6.压电振子的制作
金属基板
清洗粘贴引出电极PZT-5H
图5压电振子制作流程图
1）金属基板的处理
首先将铍青铜裁剪成所需要的尺寸，然后对其进行热处理：把铍青铜用两压板夹紧，以保证其平整；再将夹着铍青铜的夹板置于加热炉中加热2小时，温度设置为320度；等加热完毕后，将夹板取出，冷却至室温；然后用砂纸将热处理后铍青铜表明的氧化层除去。
2）清洗
处理后的铍青铜和压电陶瓷片都必须用丙酮溶液清洗
干净才可以粘贴:用镊子夹取适量脱脂棉花,蘸取适量丙酮
溶液,反复擦拭金属基板和压电陶瓷表面。
注意在清洗过程中不能损伤压电陶瓷表面的键银电极。
3）粘贴
将清洗干净的金属基板和压电陶瓷置于干净的试验平
台上,取少量AB胶涂于压电陶瓷上,并将压电陶瓷粘贴于金属基板上,同时轻轻的按压相粘贴的压电陶瓷和金属基板,
排出气泡,挤出多余的胶水,并用小刮板将周边的AB胶刮去。
等压电陶瓷与金属基板相粘贴后,可用平板压住压电振子。
由于AB胶的特殊性能,粘贴好的压电振子要在24小时后才能进行试验研究。
在粘贴的过程中,按照要求确定压电陶
瓷的极化方向,同时保持压电陶瓷与金属板有较高的平行度,由于气泡会降低压电振子的軔性,应尽量排空粘贴层的气泡。
粘贴层应越薄越好,但应均匀的涂于压电陶瓷与金属基板相粘贴的面,以保证绝缘。
若是粘贴层太厚,容易影响到压电振子的发电性能。
4）引出电极
为了得到压电陶瓷的发电性能,需要在陶瓷的正负极分别引出电极。
可以通过焊丝将细导线焊接在压电陶瓷的正负极上,为下一步的性能分析做准备。
在焊接的过程中,应特
别注意控制焊丝的温度,以免破坏压电陶瓷表面。
7.注意事项：
1）压电振子制作过程中，要小心避免脆裂，并使粘结层对压电振子的影响减小到最小；
2）寻找与压电振子匹配的电路，使得到的电荷能高效率的储存到电池中，避免在电路中的浪费。
（后续工作）
8.其他
固定方式和相关固定结构可参照效果图（图4）设计即可。