壓電懸臂梁發(fā)電性能與試驗(yàn)研究

該文利用ANSYS對(duì)壓電懸臂梁進(jìn)行有限元分析，得出基體材料，幾何尺寸對(duì)壓電懸臂梁發(fā)電能力的影響，并且根據(jù)分析結(jié)果對(duì)壓電俘能器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后對(duì)設(shè)計(jì)出來的俘能器進(jìn)行振動(dòng)能量俘獲試驗(yàn)，得出了俘能器在共振條件下產(chǎn)生的電壓和功率。

壓電俘能器；壓電材料；能量捕獲

傳統(tǒng)的化學(xué)電池供電一直以來很受到人們的青睞，是因?yàn)樗旧泶嬖谠S多優(yōu)點(diǎn)，例如供能方便，簡(jiǎn)單質(zhì)能比大，制造成本低等，但是它本身也存在許多無法彌補(bǔ)的缺陷：電池的壽命有限，需要定期更換；蓄電池對(duì)環(huán)境的污染很嚴(yán)重。隨著網(wǎng)絡(luò)分布的日益廣泛，微器件數(shù)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(nèi)，戰(zhàn)場(chǎng)，動(dòng)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(xiǎn)場(chǎng)合，電池更換問題難以解決[1]。因此，如何向微電子產(chǎn)品無線供能已經(jīng)成為當(dāng)前迫切需要解決的問題。考慮到微電子產(chǎn)品的耗能小，可直接從工作環(huán)境中提取能量。環(huán)境中潛在可用的能源有：：太陽(yáng)能、溫差、振動(dòng)和噪聲等。太陽(yáng)能和溫差供能技術(shù)由于受到自然條件的限制而難以廣泛使用，但工作環(huán)境中的噪聲或振動(dòng)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(chǎn)品供能問題的一個(gè)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(huán)境中俘獲振動(dòng)能量并為其供能，其中有電磁感應(yīng)、靜電和壓電效應(yīng)[2等技術(shù)實(shí)現(xiàn)這功能。由壓電材料制成的壓電俘能裝置因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不發(fā)熱、無電磁干擾、無污染、易于加工制作和實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的微小化、集成化等諸多優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注[3]。

對(duì)俘能器的研究，國(guó)外已經(jīng)取得了許多成果，國(guó)內(nèi)還處于起步階段，本文將對(duì)壓電俘能結(jié)構(gòu)進(jìn)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(xué)分析

對(duì)壓電俘能器進(jìn)行有限元分析時(shí)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(shù)如下：

壓電雙晶片懸臂梁結(jié)構(gòu)俘能器的發(fā)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(guān)，這里主要是研究懸臂梁的寬度、長(zhǎng)度、材料，懸臂梁端部受力對(duì)俘能器發(fā)電能力的影響。這里還討論了壓電俘能器在諧振狀態(tài)下發(fā)電能力。

在用進(jìn)行分析時(shí)，首先選用鋁材進(jìn)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(jìn)行模擬分析，選擇的材料如下表：

表1 五種材料的各個(gè)參數(shù)

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(jié)果，在同等的條件下，鋁作為基體時(shí)，壓電俘能器產(chǎn)生的電壓最強(qiáng)，鈹青銅次之，碳素纖維第三。所以我們?cè)谠囼?yàn)時(shí)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(duì)壓電俘能器發(fā)電性能的影響，得到了圖4到圖8的結(jié)果：

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

2.壓電俘能器模態(tài)與諧響應(yīng)分析

通過以上的靜力學(xué)分析，得到了壓電懸臂梁的的幾何參數(shù)和材料，由于我們一般振動(dòng)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(shí)的峰值電壓和能量密度比非諧振狀態(tài)下要大很多[4]，而在懸臂梁的自由端加質(zhì)量塊可以降低俘能器的固有頻率，我們通過對(duì)俘能器進(jìn)行模態(tài)分析得到了圖8質(zhì)量塊的質(zhì)量和俘能器固有頻率的關(guān)系。圖9是沒有質(zhì)量塊時(shí)俘能器的諧響應(yīng)分析結(jié)果

圖8 質(zhì)量塊的大小和俘能 圖 9無質(zhì)量塊時(shí)諧響應(yīng)結(jié)果

器固有頻率的關(guān)系

俘能器的能量源一般是外界環(huán)境的振動(dòng)，而外界環(huán)境的振動(dòng)頻率一般為20HZ以下，結(jié)合基體幾何尺寸和材料對(duì)發(fā)電能力的影響，我們選擇的俘能器的長(zhǎng)、寬、高分別選擇、、；壓電的長(zhǎng)、寬、高分別為、、；自由端的質(zhì)量塊的質(zhì)量為。

3.振動(dòng)能量俘獲試驗(yàn)

振動(dòng)能量捕獲實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以分為硬件和軟件部分，硬件部分由激振系統(tǒng)、復(fù)合懸臂梁、傳感單元和數(shù)據(jù)采集卡組成，軟件部分主要是用Labview軟件編程建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖10為實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)原理圖，圖11為試驗(yàn)臺(tái)全圖。

圖10 能量采集實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)原理圖 圖11 實(shí)驗(yàn)臺(tái)布局圖

實(shí)驗(yàn)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(jié)果。由圖11、圖12可以看出在激振頻率為14Hz時(shí)，壓電懸臂梁產(chǎn)生了共振，在共振狀態(tài)下產(chǎn)生的幅值電壓達(dá)到了，輸出的功率可以達(dá)到。

本文利用ANSYS分別分析了基體的材料、幾何尺寸對(duì)懸臂梁壓電俘能器發(fā)電能力的影響，另外還討論了自由端質(zhì)量塊對(duì)壓電懸臂梁固有頻率和發(fā)電能力的影響，在此基礎(chǔ)上確定壓電懸臂梁的幾何參數(shù)和材料，最后對(duì)設(shè)計(jì)的俘能器進(jìn)行振動(dòng)能量俘獲試驗(yàn)，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(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用（第二版）[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2008

[3]王 磊.多諧振頻率壓電能量回收結(jié)構(gòu)特性及實(shí)驗(yàn)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2010

[4]胡洪平.低頻壓電俘能器研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2006