壓電懸臂梁發電性能與試驗研究

該文利用ANSYS對壓電懸臂梁進行有限元分析，得出基體材料，幾何尺寸對壓電懸臂梁發電能力的影響，并且根據分析結果對壓電俘能器進行結構設計，最后對設計出來的俘能器進行振動能量俘獲試驗，得出了俘能器在共振條件下產生的電壓和功率。

壓電俘能器；壓電材料；能量捕獲

傳統的化學電池供電一直以來很受到人們的青睞，是因為它本身存在許多優點，例如供能方便，簡單質能比大，制造成本低等，但是它本身也存在許多無法彌補的缺陷：電池的壽命有限，需要定期更換；蓄電池對環境的污染很嚴重。隨著網絡分布的日益廣泛，微器件數目越來越龐大，并且由于有些微器件的工作位置難以再觸及（比如體內，戰場，動物群體等），電池更換變得極為不便甚至于不可能，除此之外，在許多不能提供能源或者易燃易爆等危險場合，電池更換問題難以解決[1]。因此，如何向微電子產品無線供能已經成為當前迫切需要解決的問題。考慮到微電子產品的耗能小，可直接從工作環境中提取能量。環境中潛在可用的能源有：：太陽能、溫差、振動和噪聲等。太陽能和溫差供能技術由于受到自然條件的限制而難以廣泛使用，但工作環境中的噪聲或振動能卻幾乎無處不在且具有較高的能量密度[2]，所以解決微電子產品供能問題的一個有效的方法就是研究一種俘能器能直接從微電子器件工作環境中俘獲振動能量并為其供能，其中有電磁感應、靜電和壓電效應[2等技術實現這功能。由壓電材料制成的壓電俘能裝置因具有結構簡單、不發熱、無電磁干擾、無污染、易于加工制作和實現機構的微小化、集成化等諸多優點而備受關注[3]。

對俘能器的研究，國外已經取得了許多成果，國內還處于起步階段，本文將對壓電俘能結構進行研究與分析。壓電懸臂梁俘能器的示意圖如圖1。

1.壓電俘能器的有限元靜力學分析

對壓電俘能器進行有限元分析時壓電材料選用了，基體材料分別選用鋁等彈性材料。壓電材料的各材料參數如下：

壓電雙晶片懸臂梁結構俘能器的發電能力主要是與懸臂梁的幾何尺寸，懸臂梁基體的材料有關，這里主要是研究懸臂梁的寬度、長度、材料，懸臂梁端部受力對俘能器發電能力的影響。這里還討論了壓電俘能器在諧振狀態下發電能力。

在用進行分析時，首先選用鋁材進行分析，基體選用單元來仿真，壓電片選用單元來模擬。壓電俘能器的幾何模型和有限元模型如圖2，壓電片貼在距離端部的位置。

接下來我們分別選擇了不同的材料進行模擬分析，選擇的材料如下表：

表1 五種材料的各個參數

圖2 壓電懸臂梁的幾何模型和有限元模型

在懸臂梁的端部分別施加 的集中力得到了如圖3所示的結果，在同等的條件下，鋁作為基體時，壓電俘能器產生的電壓最強，鈹青銅次之，碳素纖維第三。所以我們在試驗時采用鋁作為基體。

在材料選定的情況下，分析了基體的幾何尺寸對壓電俘能器發電性能的影響，得到了圖4到圖8的結果：

由圖4到圖7可以看出，壓電懸臂梁所產生的電壓和端部受到的力成線性關系；隨著基體寬度的增加，壓電懸臂的所產生的電壓不斷下降，并且不是嚴格的成線性變化的；隨著基體長度的增加壓電懸臂梁所產生的電壓不斷增加，但是不是成線性的變化，在不同的區域，長度增加量對壓電懸臂梁發電能力的影響是不同的，其中在長度為到之間影響最大；隨著厚度比的增加，壓電懸臂梁所產生的電壓先增加再減小，在厚度比為0.8到1之間產生最大值。

2.壓電俘能器模態與諧響應分析

通過以上的靜力學分析，得到了壓電懸臂梁的的幾何參數和材料，由于我們一般振動源的固有頻率都比較低，而俘能能器工作在固有頻率之下時的峰值電壓和能量密度比非諧振狀態下要大很多[4]，而在懸臂梁的自由端加質量塊可以降低俘能器的固有頻率，我們通過對俘能器進行模態分析得到了圖8質量塊的質量和俘能器固有頻率的關系。圖9是沒有質量塊時俘能器的諧響應分析結果

圖8 質量塊的大小和俘能 圖 9無質量塊時諧響應結果

器固有頻率的關系

俘能器的能量源一般是外界環境的振動，而外界環境的振動頻率一般為20HZ以下，結合基體幾何尺寸和材料對發電能力的影響，我們選擇的俘能器的長、寬、高分別選擇、、；壓電的長、寬、高分別為、、；自由端的質量塊的質量為。

3.振動能量俘獲試驗

振動能量捕獲實驗臺可以分為硬件和軟件部分，硬件部分由激振系統、復合懸臂梁、傳感單元和數據采集卡組成，軟件部分主要是用Labview軟件編程建立數據采集系統。圖10為實驗臺結構原理圖，圖11為試驗臺全圖。

圖10 能量采集實驗臺結構原理圖 圖11 實驗臺布局圖

實驗過程中我們將壓電懸臂梁在不同的頻率下工作，得到了圖11、圖12的結果。由圖11、圖12可以看出在激振頻率為14Hz時，壓電懸臂梁產生了共振，在共振狀態下產生的幅值電壓達到了，輸出的功率可以達到。

本文利用ANSYS分別分析了基體的材料、幾何尺寸對懸臂梁壓電俘能器發電能力的影響，另外還討論了自由端質量塊對壓電懸臂梁固有頻率和發電能力的影響，在此基礎上確定壓電懸臂梁的幾何參數和材料，最后對設計的俘能器進行振動能量俘獲試驗，取得了很好的效果。

[1]Guan.M.J，Liao.W.H.Ontheefficienciesofpiezoelectricenergyharvestingcircuitstowardsstoragedevicevoltages[J].SmartMaterialsAndStructures.2007，16：498-505

[2]尚曉江，邱 峰，趙海峰等.ANSYS結構有限元高級分析方法與范例應用（第二版）[M].北京：中國水利水電出版社，2008

[3]王 磊.多諧振頻率壓電能量回收結構特性及實驗研究[D].北京：北京交通大學，2010

[4]胡洪平.低頻壓電俘能器研究[D].武漢：華中科技大學，2006