压电悬臂梁振动能量收集器结构设计及实现
高效率微型压电式能量收集器的设计与制作
高效率微型压电式能量收集器的设计与制作台湾大学工程科学及海洋工程学系暨研究所吴文中、林顺区近年来，物联网的应用已经引起了各方兴趣，关于无线微感测装置的研究以及在物联网的相关应用也受到极大观注。
目前，大部分的微传感器依然是使用电池供电，电池会有耗尽的一天，而有些微传感器在更换电池上需要花费相对较高的成本。
另一方面，许多文献指出，很多的能量解决方案只适合用于短寿命周期，目前唯有光伏电池以及回收振动能的方式较适合长寿命周期的应用。
光伏电池适合于长寿命周期，在直射的阳光下具有非常高的能量密度，但在无光或光线暗淡的情况下电源的供给就很不理想。
在有振动能可供利用的环境，如果可以设计一个从环境中汲取振动能并且透过压电材料转换为电能的装置，便可长时间、长寿命的供电，将可完全替代电池，实现无源装置免换电池的理想。
目前已经有相当多成功的振动式微型能量收集器报告，大多数的研究方向是基于不同的压电结构设计和不同的优化接口电路作调整。
由于压电微型能量汲取结构可分为d31和d33压电模式，两种装置所产生的输出电压和功率也会有所不同。
一般d31之输出功率取决于压电薄膜的厚度，所以功率输出会比d33来的高，因此本研究中，将进一步探讨d31压电模式的微型能量汲取装置，并结合不锈钢薄板与微机电制程制作高功率的微型能量汲取装置。
微型能量收集器的研究大多是以悬臂梁结构的方式，利用在悬臂梁的末端安置质量块来调整共振频率，此结构可以降低结构的共振频率，并可应用于低频的环境中来撷取能量。
本研究之d31压电微能发电装置是由30um不锈钢薄板、10um压电材料以及上下层铂金电极所组成之悬臂梁结构，悬臂梁的长宽及厚度为8000x6000x40um，并在梁末端接合钨质量块，以降低共振频率。
本研究成功地利用自制的气胶沉淀法制作了高品质的PZT陶瓷压电薄膜层，用以制作出高效能的d31压电微能发电装置。
此装置在1g加速度的振动测试下，可以输出功率大约为135uW，能量密度8.4 Wh/cm2，在1.5g的加速度的振动测试下可以输出功率超过200uW，该项成果在目前全世界已发表的相关研究中处于最高水平。
悬臂梁振动控制系统的设计与实现
悬臂梁振动控制系统的设计与实现悬臂梁是一种常见的结构体系，其振动控制具有重要的工程应用价值。
在工程实际中，对于悬臂梁振动控制系统的设计与实现，核心问题在于振动控制器的设计和振动目标的选择。
下文将会详细讨论悬臂梁振动控制系统的设计与实现。
一、悬臂梁振动控制理论基础悬臂梁是一种典型的动力系统，其振动特性直接影响了整个系统的稳定性和工作效率。
为了实现有效地振动控制，需要先对悬臂梁的振动理论进行深入的研究和了解。
在振动控制理论中，常用的方法包括模态分析法和频率分析法。
模态分析法是振动控制中比较常见的一种方法，它是通过对系统的模态进行分析，得到系统的振动等相关参数，如共振频率、振幅、相位等，并根据这些参数来设计振动控制策略。
与之不同的是，频率分析法则是通过分析系统的特征频率和振动频率之间的关系，来得出振动控制的策略。
二、悬臂梁振动控制目标的选择在悬臂梁振动控制设计中，选择合适的振动目标也是非常重要的。
通常来讲，振动控制目标可以分为减小振动幅值、抑制系统共振和降低噪声三种。
具体分析如下：1、减小振动幅值悬臂梁的振动幅值过大会引起系统的破坏和能源损耗等问题。
因此，减小振动幅值是振动控制的一个重要目标。
2、抑制系统共振由于共振会产生强烈的振动，因此需要将共振频率控制在合理范围内，以避免损坏系统的情况。
3、降低噪声在实际应用中，许多系统在工作时会产生噪声，这些噪声对人体和环境都有一定的危害。
因此，降低系统的噪声也是一个重要的振动控制目标。
三、悬臂梁振动控制器的设计振动控制器是实现悬臂梁振动控制的核心模块。
根据控制策略的不同，振动控制器可分为主动控制和被动控制两种类型。
1、主动控制主动控制是指通过主动干预系统，引入干扰力以控制振动。
其优点在于控制效果明显，在一定范围内能够适应不同的振动情况。
其缺点在于需要较大的能量投入，因此成本较高。
2、被动控制被动控制是指通过改变系统的刚度和阻尼等属性，来实现振动控制。
其优点在于成本低廉，较为稳定可靠。
AIN压电振动能量收集器的结构优化设计与实验
AIN压电振动能量收集器的结构优化设计与实验周雅慧;温志渝;贺显明;路庄;陈永军【期刊名称】《传感器与微系统》【年(卷),期】2018(037)007【摘要】在整体尺寸不变的基础上,结合集总参数模型,利用ANSYS有限元软件对氮化铝(AlN)压电振动能量收集器的结构参数进行优化设计,得到压电悬臂梁单元的优化尺寸为5mm×12mm×0.05mm.设计了工艺流程,加工了原理样机.经测试:在1gn加速度,204.6 Hz谐振频率激励下,样机在最优化负载80 kΩ下的输出电压为2.3V,输出功率为66.125μW,满足部分低功耗传感节点的供能要求.【总页数】4页(P18-21)【作者】周雅慧;温志渝;贺显明;路庄;陈永军【作者单位】重庆大学微系统研究中心,重庆400044;重庆大学新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室,重庆400044;重庆大学光电工程学院,重庆400044;重庆大学微系统研究中心,重庆400044;重庆大学新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室,重庆400044;重庆大学光电工程学院,重庆400044;重庆大学微系统研究中心,重庆400044;重庆大学新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室,重庆400044;重庆大学光电工程学院,重庆400044;重庆大学微系统研究中心,重庆400044;重庆大学新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室,重庆400044;重庆大学光电工程学院,重庆400044;重庆大学微系统研究中心,重庆400044;重庆大学新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室,重庆400044;重庆大学光电工程学院,重庆400044【正文语种】中文【中图分类】TP212【相关文献】1.宽带压电振动能量收集器结构设计与实验验证 [J], 邓志强;王翔;郑政;李春来;李欢;伞海生2.压电振动能量收集器的等效电路建模分析与实验验证 [J], 王宏金;孟庆丰3.浅球壳型双稳振动能量收集器件结构优化设计 [J], 彭利明;王永;黄志龙4.圆片级低真空封装的MEMS压电振动能量收集器结构设计 [J], 张颖异;温志渝;邓丽城5.垂向动磁式压电振动能量收集器建模及实验研究 [J], 芮小博; 李一博; 刘悦; 郑晓雷; 綦磊; 曾周末因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
振动能量收集系统的研究—结构设计
振动能量收集系统的研究——结构设计摘要响其应用范围的重要问题。
在此背景下，压电振动能量收集装置以其易加工和结构上小型化、集成化等优点，可作为一种长期的自主供电系统。
其中压电式能量收集器作为现阶段主要研究的方向，其在一些不便于电池表现很差的环境中有广阔的发展空间。
但是，这种振动能量收集器的输出功率偏低，在实际工作生活中的局限性很大。
为提升收集器的输出功率，扩大实际的应用范围，本文主要对压电振动能量收集系统的结构进行设计。
首先，对振动能量收集结构所用的材料进行筛选，选择PZT-5的压电陶瓷。
在此之后，通过对实验所涉及的各种压电片以及基板进行计算机建模和分析，得到最为合乎求的最佳选型，并且针对该模型所选结果进行优化设计。
最后，为了验证实验设计的适用性，对纽扣状压电悬臂梁振动能量收集结构进行了COMSOL建模和仿真分析。
关键词：压电陶瓷；压电悬臂梁；有限元分析；结构设计Research on Vibration Energy Collection system——Structural designAbstractWith the emergence of a large number of technological products, wireless devices have become a new type of daily necessities, and their power supply issues have become an important issue affecting their scope of application. Under this background, the piezoelectric vibration energy collection device can be used as a long-term autonomous power supply system due to its advantages of easy processing, miniaturization and integration in structure. Among them, the piezoelectric energy harvester is the main research direction at this stage, and it has a broad development space in some environments where it is not convenient for the battery to perform poorly. However, the output power of this vibration energy collector is relatively low, which has great limitations in actual working life. In order to improve the output power of the collector and expand the practical application range, this paper mainly designs the structure of the piezoelectric vibration energy collection system.First, the materials used in the vibration energy harvesting structure are screened to select the PZT-5 piezoelectric ceramic.After this, through the computer modeling and analysis of the various piezoelectric sheets and substrates involved in the experiment, the most desirable and best selection is obtained, and the optimal design is carried out for the selected results of the model.Finally, in order to verify the applicability of the experimental design, COMSOL modeling and simulation analysis of the vibration energy collection structure of thebutton-shaped piezoelectric cantilever beam were carried out.Keywords:analysis；Structural design目录摘要 ......................................................................... Abstract.......................................................................目录 .........................................................................第一章绪论 (1)1.1 研究背景与意义 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.3论文主要研究内容 (2)第二章压电材料 (3)2.1 发展历史 (3)2.2 压电材料基本性能参数 (3)2.3 压电陶瓷分类 (3)第三章不同形状单层压电陶瓷能量收集结构 (4)3.1 COMSOL Multiphysics软件介绍 (3)3.2不同形状单层压电陶瓷能量收集结构 (6)3.3不同形状基板悬臂梁式能量收集结构 (19)3.4 基于矩形结构的压电能量收集结构的尺寸优化 (29)3.5 本章小结 (36)第四章纽扣状压电悬臂梁振动能量收集结构 (37)4.1引言 (37)4.2 纽扣状压电悬臂梁振动能量收集结构 (37)4.3 本章小结 (41)第五章总结与展望 (42)5.1 总结 (42)5.2 展望 (42)参考文献 (43)致谢 (44)1绪论1.1研究背景与意义近几年以来，随着信息化时代的发展，无线传感技术正逐渐进入迅猛发展的阶段。
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。
悬臂梁式压电振动能采集器的建模及实验验证
悬臂 梁 式压 电振 动 能 采 集 器 的建 模及 实 验 验 证
贺学锋 ， 杜志刚 赵兴强。温志渝 ， ， 印显方
，
，
（． １ 重庆大学 光电技术及 系统教育部重点实验室 重庆 ４ ０４ ；． ００ ４２ 重庆大学 微系统研究中心， 重庆 ４０４ ） ００４
摘 要 ： 了 根 据 环 境 振 动 和 电学 负 载 的特 点 对 悬 臂 梁式 微 型 压 电 振 动 能 采 集 器 进 行 优 化 ， 文 考 虑 质 量 块 质 心 与 悬 臂 梁 为 本 末 端 的位 置 差 异 ， 立 了在 基 础 激 励 作 用 下 采 集 器 的运 动 微 分 方 程 和 边 界 条 件 。通 过 引 入 常 数 ， 立 了对 单 压 电 层 、 建 建 双
（．Ｋｅ ａ ｏ ａｏｙｏ ｐ ｏ ｌ ｔｏ ｉ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｎ ｙ ｔ ｆｔ ｅ １ ｙＬ ｂｒ ｔｒ ｆ Ｏ ｔｅｅ ｒ ｎｃ ｅｈ ｏｏ ｙ ａ ｄ Ｓ ｓ ｍｓ ｃ ｅ ｏ ｈ
Ｅ ｕａｉｎ ｉｉｔｙｏ ｈｎ ｄ ｃ ｔ ｎｓ ｆ Ｃ ｉａ，Ｃ ｏ ｇ ｉｇ Ｕ ｉｅｓ ｙ， ｈ ｎ ｑｎ ０ ０ ４ Ｃ ｉａ ｏＭ ｒ ｈ ｎ ｑｎ ｎｖ ｒｉ Ｃ ｏ ｇ ｉｇ ４ ０ ４ ， ｈｎ ； ｔ
第 １ ９卷
第 ８期
光 学 精 密 工 程
Ｏ ｐ ｉｓ ａ ｄ Ｐｒ ｃｓｏ Ｅｎｇ ｎ ｅ ｉ ｔｃ ｎ ｅ ｉｉｎ ｉ ｅ ｒｎｇ
Ｖｏ ＿ ９ Ｎｏ ８ ｌ１ ．
Ａｕ ２ ｇ． ０１１
２１ ０ １年 ８月
文章编号
１ ０ —２ Ｘ ２ １ ） ８ １ ７ — ８ ０ ４ ９ ４ （ ０ １ ０ — ７ １０
压 电层 并 联 和双 压 电 层 串 联 的 ３ 悬 臂 梁 式 微 型 压 电振 动 能 采 集 器 均 适 用 的耦 合 电路 方 程 ， 到 了采 集 器 固有 频 率 和 个 得 振 型 的表 达 式 ， 导 了 简 谐 基 础 激 励 和 任 意 基 础 激 励 作 用 下 的 输 出 电压 表 达 式 。实 验 结 果 显 示 ， 于 ３个 振 动 能 采 集 器 推 对
新型振动能量收集器的设计与应用
新型振动能量收集器的设计与应用随着科技的发展，越来越多的新能源技术被广泛应用于工业、家庭和日常生活中。
并且为了更好地保护和利用自然资源，越来越多的人开始致力于研究和发展新型能源收集器，以便收集和利用我们周围的各种能量。
此时，新型振动能量收集器作为一种新型能量收集设备，就应运而生。
1. 振动能量收集器的设计与原理振动能量收集器是一种利用机械振动能转换为电能的设备，常见的振动源包括交通流、机械震动、风的振动等。
其工作原理是，通过与振动源之间的相互作用，将机械振动转换为电能。
具体来说，振动能量收集器采用压电材料或者磁电材料作为能量转换元件，当受到外界机械振动作用时，能量转换元件受到应力变形，从而生成电荷并输出电压和电流。
新型振动能量收集器的设计有很多创新之处，比如可以采用多层（multi-layer）能量转换器，提高能量转换效率。
2. 振动能量收集器的应用振动能量收集器的应用非常广泛，可以用于机械振动能量的收集，或者替代电源，实现低功耗、无线传输等更多实际应用。
比如，将振动能量收集器应用于钢铁冶炼管理系统，在采集机械振动信息的同时，也节约了电池更换的成本。
此外，振动能量收集器还可以应用于交通流量记录、温度监测、环境监测等领域。
比如，在道路上摆放振动能量收集器，可以利用交通流量的振动产生的能量来充电，同时获取路况信息和车辆通行数量等交通信息。
在温度监测方面，振动能量收集器也可以通过采集室内外的温度信息来实现自动调节温度的功能。
3. 新型振动能量收集器的优势和局限性与传统的太阳能、风能等收集器相比，振动能量收集器的最大优势在于其适用范围广，可以利用各种机械振动源进行能量转换，无需依赖太阳或热风等外部条件。
此外，振动能量收集器器件结构简单，体积小，制造工艺相对简单，成本也较低。
但是，振动能量收集器的局限性也不容忽视。
由于振动能量收集器的能量转换效率受机械振动源的影响较大，因此在稳定的机械振动源较少时，其能量转换效率可能会受到影响。
压电振动与储能实验
压电振动发电及储能实验说明
一、实验内容
图1为悬臂梁结构能量收集实验平台，其中能量收集器采用两片并联的压电陶瓷片，尺寸为38mm×30mm×0.5mm。
图1 悬臂梁结构能量收集实验平台
经试验，在处于谐振频率38.7Hz左右，压电陶瓷开路电压峰峰值约为12V 时，充电耗时约27分钟。
二、实验装置功能
1. 将压电材料产生的电能存储在超级电容中；
2. 当输出电压稳定（即超级电容充满），打开开关，发光二极管点亮；
3. 充电过程中，通过电压表头可以观察到输出电压的电压值。
图2 充电完成打开开关效果图
三、实验用到的装置模块
1. 振动台一个
2. 功率放大器一个
3. 数字示波器一个
4. 压电收集模块一个
其中，本模块采用凌利尔特公司的能量收集芯片LTC3588-1对压电材料（如压电陶瓷、压电纤维）产生的能量收集应用。
LTC3588-1芯片的输入电压范围为2.7V～20V；通过短路帽的选择，输出电压可以设定为1.8V、2.5V、3.3V或3.6V （默认）。
四、实验效果
在0～2V时，电压变化十分明显；在2～3.6V时电压变化相对缓慢。
图2为充电完成效果图，图3为充电完成后打开开关效果图。
图3 充电完成后打开开关效果图。
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。
压电悬臂梁能量收集及减振研究
２０２０年 ２月 第 ＴＯＯＬ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ
Ｆｅｂ２０２０ Ｖｏｌ４８Ｎｏ３
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊｉｓｓｎ１００１－３８８１２０２００３０１７ 本文引用格式：彭中波，高阳，张敏，等．压电悬臂梁能量收集及减振研究［Ｊ］．机床与液压，２０２０，４８（３）：８０－８４．
压电悬臂梁能量收集及减振研究
彭中波，高阳，张敏，雷林，陈丹桂
（重庆交通大学航运与船舶工程学院，重庆 ４０００７４）
摘要：根据压电悬臂梁和悬臂梁－质量块振子的理论模型，针对船舶柴油机多振源、高频振动等特点，提出了一种集 压电集能和减振降噪两种功能协调工作的多压电悬臂梁装置。运用 ＣＯＭＳＯＬ有限元分析软件建立了带质量块的多悬臂梁仿 真模型。有限元仿真分析结果表明：压电悬臂梁结构振动频率接近柴油机固有频率时产生共振，振动由柴油机转移到悬臂 梁装置，柴油机振动情况明显减少，压电片输出电压和功率分别为 ５８８Ｖ和 ３４６ｍＷ。压电悬臂梁减振降噪和压电能量收 集实验得出：悬臂梁与振动源在频率 １８Ｈｚ发生共振，振幅由 １９４９ｄＢ减少到 ２４１ｄＢ，压电片最大的输出电压约为 ５９２ Ｖ，集能效果和减振都较为明显。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｓｏｆｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｂｅａｍａｎｄｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｂｅａｍｍａｓｓｂｌｏｃｋｖｉｂｒａｔｏｒ，ａｎｄｉｎｖｉｅｗ ｏｆｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｍａｒｉｎｅｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅｓｕｃｈａｓｍｕｌｔｉｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｏｕｒｃｅａｎｄｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ａｋｉｎｄｏｆｍｕｌｔｉｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｂｅａｍｄｅｖｉｃｅｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈｃｏｍｂｉｎｅｓｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｎｅｒｇｙｇａｔｈｅｒｉｎｇａｎｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｒｅｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｎｏｉｓｅｒｅ ｄｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｍｕｌｔｉｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｂｅａｍ ｗｉｔｈｍａｓｓｂｌｏｃｋｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙｕｓｉｎｇＣＯＭＳＯＬｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ （ＦＥＡ）ｓｏｆｔｗａｒｅ．ＴｈｅＦＥＡｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｂｅａｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｃｌｏｓｅｔｏ ｔｈｅｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅ，ａｎｄｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｗａｓｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄｆｒｏｍｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅｔｏｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｂｅａｍｄｅｖｉｃｅ，ａｎｄｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅｗａｓｏｂｖｉｏｕｓｌｙｒｅｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅａｎｄｐｏｗｅｒｗｅｒｅ５８８Ｖａｎｄ３４６ｍＷ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄｎｏｉｓｅｒｅ ｄｕｃｔｉｏｎｏｆｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｂｅａｍａｎｄｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｎｅｒｇｙｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｂｅａｍｒｅｓｏｎａｔｅｓｗｉｔｈｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｏｕｒｃｅａｔｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ１８Ｈｚ，ｔｈｅａｍｐｌｉｔｕｄｅｉｓｒｅｄｕｃｅｄｆｒｏｍ１９４９ｄＢｔｏ２４１ｄＢ，ａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｏｆｔｈｅ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｐｌａｔｅｉｓａｂｏｕｔ５９２Ｖ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｅｎｅｒｇｙｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｒｅｄｕｃｔｉｏｎａｒｅｏｂｖｉｏｕｓ．
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
本论文属于
保密□，在_____年解密后适用本授权书。 不保密□。
（请在以上方框内打“√” ）
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日大 学 硕 士 学 位 论 文
摘 要
近年来，压电能量收集技术受到了广泛的关注。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的场合 具有广阔的发展空间。然而，其输出功率仍然偏小，尚不能满足实际应用。 为提高压电能量收集器的输出功率，本文从压电振动能量收集器件的结构设计 及实现入手，对压电能量收集系统结构和能量收集电路两个方面具体分析，设计了 提高能量收集器件性能的几种结构并进行了理论及实验研究。 首先，针对不同形状基板和不同形状压电片的单压电片式悬臂梁能量收集器的 发电行为进行了有限元建模和仿真分析，得出矩形基板和矩形压电片为最佳模型的 结论，并在此基础上对压电片和基板进行尺寸优化。 为进一步提高压电能量收集器的输出功率并满足不同应用场合的需求，提出几 种多压电片式能量收集器结构，主要包括压电双晶片悬臂梁式能量收集器、阵列式 悬臂梁结构能量收集器和基于叠层结构的压电能量收集器，通过理论分析及有限元 仿真，得出如下结论：对压电双晶片悬臂梁式能量收集器和阵列式悬臂梁结构能量 收集器，串联结构和并联结构的最大输出功率相等，而且串联结构的最佳匹配电阻 为并联结构的 4 倍，同时串联结构的最佳输出电压为并联结构的 2 倍，并联结构的 最佳输出电流为串联结构的 2 倍。叠层结构的输出电流相比单片式能量收集器明显 增大。 在上述理论分析和仿真分析的基础之上，搭建了压电振动能量收集器测试平台， 分析设计了能量转换和存储电路，并对悬臂梁压电能量收集器的输出结果进行了实 验研究，实验结果与理论分析、有限元仿真结果较为一致。对于压电双晶片能量收 集器， 在串、 并联最佳匹配电阻分别为 10KΩ和 2.6KΩ时， 最大输出功率达到 0.8mW； 对于阵列结构能量收集器，在串、并联最佳匹配电阻分别为 3.6KΩ和 1KΩ时，最大 输出功率达到 0.29mW；叠层结构的输出功率为单片式能量收集器的近两倍，有明显 的改善。
分 类 号 学校代码 10487
学号 密级
M200972087
硕士学位论文
压电悬臂梁振动能量收集器结构 设计及实现
学位申请人 ：谢真真 学 科 专 业 ：微电子学与固体电子学 指 导 教 师 ：姜胜林 教授
答 辩 日 期 ：2011 年 12 月 30 日
A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master in Engineering
Structure design and realization of energy harvesting device based on piezoelectric cantilever
Master.Candidate ：Xie Zhenzhen Major ：Microelectronics and
Solid State Electronics
Supervisor ：Prof. Jiang Shenglin
Huazhong University of Science & Technology Wuhan 430074, P. R. China December, 2011
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
III
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
built a test platform of piezoelectric vibration energy harvesters, analyzed and designed energy conversion and storage circuit, and carried out experimental studies on vibration power generation behaviors of cantilever beam based vibration energy harvesters. And the experimental results were similar to theoretical and simulation results. First, for piezoelectric bimorph cantilever beam based vibration energy harvesters, the output power could reach 0.8mW when the best matching resistors were 10KΩ and 2.6KΩ for series and parallel, respectively. Second, for array cantilever beam based vibration energy harvesters, the output power could reach 0.29mW when the best matching resistors were 3.6KΩ and 1KΩ for series and parallel, respectively. Third, the output power of piezoelectric vibration energy harvesters based on multilayer structure was 2 times that of single piezoelectric chip cantilever beam based vibration energy harvesters.
I
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
关键词：压电陶瓷，压电悬臂梁，结构设计，ANSYS 有限元分析，能量收集电路
II
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
Abstract
Recently, piezoelectric vibration energy harvesters have been widely concerned. As a long life or unlimited lifecycle self power supply system, piezoelectric vibration energy harvesters have broad space for development in areas which are inconvenient to replace battery or avoid battery replacement. However, the output power is still small to meet the practical applications. For the purpose of enhancing the output power of piezoelectric vibration energy harvesters, in this thesis, we started from structural design and realization of piezoelectric vibration energy harvesters, then analyzed the structure of piezoelectric vibration energy harvesting system and energy harvesting circuit in detail, finally designed several structures for high power energy harvesters and carried out theoretical and experimental studies. First, we did the finite element modeling and simulation of power generation behavior of single piezoelectric chip cantilever beam based vibration energy harvesters with substrates of different shapes and piezoelectric chip of different shapes. The results showed that rectangular substrate combined with rectangular piezoelectric chip was the best model. On this basis, we optimized the sizes of substrates and piezoelectric ceramics. In order to further enhance the output power of piezoelectric vibration energy harvesters to meet the needs of different applications, we proposed structures of multi-piezoceramics cantilever beam based vibration energy harvesters, including piezoelectric bimorph cantilever beam based vibration energy harvesters, array cantilever beam based vibration energy harvesters, and piezoelectric vibration energy harvesters based on multilayer structure. Theoretical analysis and finite element simulation results showed two important results. First, for piezoelectric bimorph cantilever beam based vibration energy harvesters and array cantilever beam based vibration energy harvesters, the maximum output powers of series structure and parallel structure were equal, the best matching resistor of series structure was 4 times that of parallel structure, the best output voltage of series structure was 2 times that of parallel structure, and the best output current of parallel structure was 2 times that of series structure. Second, the output current of piezoelectric vibration energy harvesters based on multilayer structure was significantly higher than single piezoelectric chip cantilever beam based vibration energy harvesters. On the basis of such theoretical analysis and finite element simulation results, we