压电悬臂梁发电性能与试验研究

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该文利用ANSYS对压电悬臂梁进行有限元分析，得出基体材料，几何尺寸对压电悬臂梁发电能力的影响，并且根据分析结果对压电俘能器进行结构设计，最后对设计出来的俘能器进行振动能量俘获试验，得出了俘能器在共振条件下产生的电压和功率。

压电俘能器；压电材料；能量捕获

传统的化学电池供电一直以来很受到人们的青睐，是因为它本身存在许多优点，例如供能方便，简单质能比大，制造成本低等，但是它本身也存在许多无法弥补的缺陷：电池的寿命有限，需要定期更换；蓄电池对环境的污染很严重。随着网络分布的日益广泛，微器件数目越来越庞大，并且由于有些微器件的工作位置难以再触及（比如体内，战场，动物群体等），电池更换变得极为不便甚至于不可能，除此之外，在许多不能提供能源或者易燃易爆等危险场合，电池更换问题难以解决[1]。因此，如何向微电子产品无线供能已经成为当前迫切需要解决的问题。考虑到微电子产品的耗能小，可直接从工作环境中提取能量。环境中潜在可用的能源有：：太阳能、温差、振动和噪声等。太阳能和温差供能技术由于受到自然条件的限制而难以广泛使用，但工作环境中的噪声或振动能却几乎无处不在且具有较高的能量密度[2]，所以解决微电子产品供能问题的一个有效的方法就是研究一种俘能器能直接从微电子器件工作环境中俘获振动能量并为其供能，其中有电磁感应、静电和压电效应[2等技术实现这功能。由压电材料制成的压电俘能装置因具有结构简单、不发热、无电磁干扰、无污染、易于加工制作和实现机构的微小化、集成化等诸多优点而备受关注[3]。

对俘能器的研究，国外已经取得了许多成果，国内还处于起步阶段，本文将对压电俘能结构进行研究与分析。压电悬臂梁俘能器的示意图如图1。

1.压电俘能器的有限元静力学分析

对压电俘能器进行有限元分析时压电材料选用了，基体材料分别选用铝等弹性材料。压电材料的各材料参数如下：

压电双晶片悬臂梁结构俘能器的发电能力主要是与悬臂梁的几何尺寸，悬臂梁基体的材料有关，这里主要是研究悬臂梁的宽度、长度、材料，悬臂梁端部受力对俘能器发电能力的影响。这里还讨论了压电俘能器在谐振状态下发电能力。

在用进行分析时，首先选用铝材进行分析，基体选用单元来仿真，压电片选用单元来模拟。压电俘能器的几何模型和有限元模型如图2，压电片贴在距离端部的位置。

接下来我们分别选择了不同的材料进行模拟分析，选择的材料如下表：

表1 五种材料的各个参数

图2 压电悬臂梁的几何模型和有限元模型

在悬臂梁的端部分别施加 的集中力得到了如图3所示的结果，在同等的条件下，铝作为基体时，压电俘能器产生的电压最强，铍青铜次之，碳素纤维第三。所以我们在试验时采用铝作为基体。

在材料选定的情况下，分析了基体的几何尺寸对压电俘能器发电性能的影响，得到了图4到图8的结果：

由图4到图7可以看出，压电悬臂梁所产生的电压和端部受到的力成线性关系；随着基体宽度的增加，压电悬臂的所产生的电压不断下降，并且不是严格的成线性变化的；随着基体长度的增加压电悬臂梁所产生的电压不断增加，但是不是成线性的变化，在不同的区域，长度增加量对压电悬臂梁发电能力的影响是不同的，其中在长度为到之间影响最大；随着厚度比的增加，压电悬臂梁所产生的电压先增加再减小，在厚度比为0.8到1之间产生最大值。

2.压电俘能器模态与谐响应分析

通过以上的静力学分析，得到了压电悬臂梁的的几何参数和材料，由于我们一般振动源的固有频率都比较低，而俘能能器工作在固有频率之下时的峰值电压和能量密度比非谐振状态下要大很多[4]，而在悬臂梁的自由端加质量块可以降低俘能器的固有频率，我们通过对俘能器进行模态分析得到了图8质量块的质量和俘能器固有频率的关系。图9是没有质量块时俘能器的谐响应分析结果

图8 质量块的大小和俘能 图 9无质量块时谐响应结果

器固有频率的关系

俘能器的能量源一般是外界环境的振动，而外界环境的振动频率一般为20HZ以下，结合基体几何尺寸和材料对发电能力的影响，我们选择的俘能器的长、宽、高分别选择、、；压电的长、宽、高分别为、、；自由端的质量块的质量为。

3.振动能量俘获试验

振动能量捕获实验台可以分为硬件和软件部分，硬件部分由激振系统、复合悬臂梁、传感单元和数据采集卡组成，软件部分主要是用Labview软件编程建立数据采集系统。图10为实验台结构原理图，图11为试验台全图。

图10 能量采集实验台结构原理图 图11 实验台布局图

实验过程中我们将压电悬臂梁在不同的频率下工作，得到了图11、图12的结果。由图11、图12可以看出在激振频率为14Hz时，压电悬臂梁产生了共振，在共振状态下产生的幅值电压达到了，输出的功率可以达到。

本文利用ANSYS分别分析了基体的材料、几何尺寸对悬臂梁压电俘能器发电能力的影响，另外还讨论了自由端质量块对压电悬臂梁固有频率和发电能力的影响，在此基础上确定压电悬臂梁的几何参数和材料，最后对设计的俘能器进行振动能量俘获试验，取得了很好的效果。

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

[2]尚晓江，邱 峰，赵海峰等.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用（第二版）[M].北京：中国水利水电出版社，2008

[3]王 磊.多谐振频率压电能量回收结构特性及实验研究[D].北京：北京交通大学，2010

[4]胡洪平.低频压电俘能器研究[D].武汉：华中科技大学，2006