悬臂梁压电浮能器概要与认识

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悬臂梁简支梁组合冲击试验机原理

悬臂梁简支梁组合冲击试验机原理悬臂梁简支梁组合冲击试验机，你可别看它名字长，听起来好像特别复杂，其实也就是一种用于测试材料抗冲击能力的设备。

听起来是不是有点像在拍电影，演员和道具都得经过考验，才能展示最完美的一面。

这种机器的作用嘛，简单来说，它就像一个超强的“捶打专家”，专门用来测试不同材料或者结构，受外力冲击时的反应。

就像人吃了辣椒后的反应，你以为它不痛吗？其实你得仔细观察，反应的速度、强度和持续时间，差别可大着呢。

好啦，那我们先从“悬臂梁”开始讲。

悬臂梁，顾名思义，就是一头固定，另一头自由的梁。

就像你在学校蹦蹦跳跳的时侯，你一跳，脚离开了地面，只有一只脚撑住整个身体，不一会儿就会发现，重心有点失衡对吧。

悬臂梁测试就这么个意思，梁的一端固定，另一端受力时就开始发生弯曲，测量这个弯曲的反应，就能知道材料的强度。

可别小看它，虽然只是弯曲，但能不能承受得住可关键了，正是这个“弯”，决定了它能不能支撑得住重物，能不能抵抗外部的冲击。

而“简支梁”，就稍微简单点了。

简支梁的两端都是支撑的，就像你的桌子四个角都放着支架，稳定得很，不会轻易倒掉。

这种结构在很多建筑中都能看到，像桥梁、楼板、甚至是一些大型设备的支撑架。

冲击测试时，简支梁两端稳定支撑，冲击波从中间传递过来，梁的反应就能给我们一个直接的反馈。

就像是你拍打桌子，桌子没有一端悬空，它的反应就更加“均衡”一些，但不代表不容易坏，正好相反，有时候这种设计反而更容易承受更大的压力，因为力分布得更加平均。

这俩结构合在一起，组合冲击试验机的作用就更强大了。

这就像把悬臂梁和简支梁的优点结合起来，打破了传统设计的局限，能够同时测试两种不同结构的反应。

两种结构一块儿测试，所得到的数据和实验结果更真实，更能反映出实际使用中可能出现的各种情况。

你想想，人生有时候也不是简单的二选一嘛，悬臂梁和简支梁合起来，力量加成，实验结果自然更加全面。

你要真是个工程师，或者在这方面有点想法的人，估计早就想深入研究这些结构是如何互相影响的了。

本科毕业设计---悬臂梁压电振子发电的研究

景德镇陶瓷学院本科生毕业设计（论文）中文题目：悬臂梁压电振子发电的研究英文题目：Study on Cantilever PiezoelectricVibrator Generating Electricity院系：械电子工程学院专业：电子科学与技术姓名：丁斌学号：200910330216指导教师：范跃农完成时间：2013-05-25摘要随着集成电路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和环境污染等问题，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，电池供电的这种缺陷更为明显。

而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。

本文采用理论分析和试验验证相结合的方式，对悬臂梁压电振子发电装置的制备工艺和方法、发电原理、能量转换、输出功率等进行了研究。

关键词：悬臂梁压电振子压电发电装置ABSTRACTAs integrated circuit and portable electronic devices are used more and more widely, chemical battery as their main power supply has been found many shortcomings that can not be ignored, such as big volume, heavy weight, limited power lifetime and regular replacement, and the material waste and environment pollution related to these problems. These shortcomings are more apparent, especially with the development of wireless network and embedded system. However, piezoelectric generator has no complex structure, no fever, no electromagnetic interference and no pollution, and it is easy to realize the miniaturization and integration. Besides, it can meet the power demand of low energy product. Thus, piezoelectric generator is becoming a hotpots research. This paper has adopted the way of combining theoretical analysis and experimental tests, and it has studied the fabrication processes and methods, electric-generation principle, power conversion and output power of cantilever piezoelectric vibrator.KEYWORDS:Cantilever piezoelectric vibrator piezoelectric power generating means目录1 绪论 (1)1.1前言 (1)1.2 压电发电技术的国内外研究现状 (2)1.3 压电发电技术的应用 (4)1.4 本文研究内容 (6)2 压电陶瓷基础理论 (7)2.1 压电陶瓷概述 (7)2.1.1 压电陶瓷及其应用 (7)2.1.2 压电效应 (9)2.1.3 压电陶瓷性能参数 (11)2.1.4 压电方程 (13)2.2 压电振子 (14)2.2.1 压电振子的振动模式 (15)2.2.2 压电振子的等效电路 (16)2.2.3 压电振子的支撑形式 (17)2.2.4 压电振子的激励方式 (18)2.2.5 压电振子的工作原理 (19)2.3 本章小结 (20)3 悬臂梁压电振子结构制作及分析 (21)3.1 悬臂梁压电振子的结构分析 (21)3.2 悬臂梁压电振子的制作 (22)3.2.1悬臂梁压电振子的主要制作工艺过程.... .. (22)3.2.2制作过程中的注意事项.............. . (22)3.3 悬臂梁压电振子结构分析 (23)3.4 悬臂梁振子的有限元分析及试验测试 (25)3.5 本章小结 (27)4 悬臂梁压电振子发电及性能的分析 (32)4.1.单晶片悬臂梁压电振子发电装置及其分析 (33)4.1.1单晶片悬臂梁压电振子有限元仿真分析.......... (33)4.1.2实验研究........................ (33)4.1.3实验小结 (34)4.2双晶片悬臂梁压电振子发电装置及其分析... . (36)4.2.1双晶片悬臂梁压电发电理论模型.............. .. (36)4.2.2 压电发电性能仿真 (36)4.2.3 仿真结论 (39)4.3 悬臂梁压电振子的发电特性分析 (41)4.3.1 外部施加激励力对电压输出特性的影响 (41)4.3.2 几何参数对电压输出特性的影响 (41)4.3.3 阻抗匹配对矩形压电振子输出功率的影响 (43)4.4单双晶片悬臂梁压电振子电压输出特性的比较分析..... .. (44)4.5本章小结............. (44)5 结论 (46)6 经济分析报告 (47)致谢 (48)参考文献 (49)1 绪论1.1 前言随着无线电技术的飞速发展，大量的无线电传感器已经能够适用于各个领域当中。

悬臂梁原理

悬臂梁原理悬臂梁原理是一种力学原理，它描述了悬臂梁在受力时的平衡和支撑力的关系。

悬臂梁是一种常见的结构，在桥梁、建筑和机械设备中广泛应用。

了解悬臂梁原理不仅可以帮助我们设计和建造更安全和稳定的结构，还可以帮助我们更好地理解力学原理和物体平衡的基本规律。

悬臂梁原理的核心是支撑力和平衡。

当一个悬臂梁受到外部力的作用时，它会产生内部应力和反力，以保持结构的平衡和稳定。

支撑力是支撑梁的力，它的大小和方向取决于梁的受力情况和结构设计。

通过合理的设计和计算，可以确保支撑力能够有效地支撑梁的负载，从而保证结构的安全性和稳定性。

悬臂梁原理还涉及到力的平衡。

根据力的平衡原理，悬臂梁在受力时要保持平衡，即受力的合力和合力矩都必须为零。

这意味着梁的支撑力和外部载荷之间必须保持平衡，梁的受力点必须处于平衡位置，以确保结构不会发生倾斜或失稳。

了解悬臂梁原理对于工程设计和结构分析至关重要。

工程师和设计师需要根据悬臂梁原理来设计和计算结构的支撑力和受力情况，以确保结构的安全性和稳定性。

同时，结构分析师也需要运用悬臂梁原理来分析和评估现有结构的受力和稳定情况，以指导结构的维护和改造工作。

除了在工程领域，悬臂梁原理还有着广泛的应用。

在物理学和力学领域，悬臂梁原理是理解力的平衡和结构稳定的重要基础。

在日常生活中，我们也可以通过悬臂梁原理来理解和解决一些实际问题，比如平衡物体、支撑重物等。

总之，悬臂梁原理是一个重要的力学原理，它描述了悬臂梁在受力时的平衡和支撑力的关系。

了解悬臂梁原理不仅可以帮助我们设计和建造更安全和稳定的结构，还可以帮助我们更好地理解力学原理和物体平衡的基本规律。

希望通过深入学习和应用悬臂梁原理，我们可以更好地探索支撑力与平衡之道，为工程设计和结构分析提供更多的启发和指导。

基于悬臂梁结构的压电能量收集器的机电转化效率分析

ＳｅＤ．．２０１５
文章编号：１０００ — ２３７５（２０１５）０５ — ０４５１ — ０５
基于悬臂梁结构的压电能量收集器的机电转化效率分析
方超，胡永明，任博，梁柱，许春东，顾豪爽，罗豪廷
Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｉｃｆｉｅｎｃｙｏｆｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｅｒｂａｓｅｄｏｎｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
２．ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｅｒａｍｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１８００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｉｍｐａｃｔｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｓｔｅｅｌｂａｌｌａｎｄｔｈｅｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｏｕｔｐｕｔｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｅｎｅｒｇｙａｎｄｉｎｐｕｔｍｅｃｈａｎｉｃａｌｅｎｅｒｇｙｂａｓｅｄｏｎｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｎｅｒｙｇ

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]。

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４０４；．００４２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
（．ＫｅａｏａｏｙｏｐｏｌｔｏｉＴｃｎｌｇｎｙｔｆｔｅ１ｙＬｂｒｔｒｆＯｔｅｅｒｎｃｅｈｏｏｙａｄＳｓｍｓｃｅｏｈ
ＥｕａｉｎｉｉｔｙｏｈｎｄｃｔｎｓｆＣｉａ，ＣｏｇｉｇＵｉｅｓｙ，ｈｎｑｎ００４ＣｉａｏＭｒｈｎｑｎｎｖｒｉＣｏｇｉｇ４０４，ｈｎ；ｔ
第１９卷

第８期
光学精密工程
ＯｐｉｓａｄＰｒｃｓｏＥｎｇｎｅｉｔｃｎｅｉｉｎｉｅｒｎｇ
Ｖｏ＿９Ｎｏ８ｌ１．
Ａｕ２ｇ．０１１
２１０１年８月
文章编号
１０ —２Ｘ２１）８１７ — ８０４９４（０１０ — ７１０
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

悬臂梁压电俘能器的建模研究

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【要】摘为深入研究悬臂梁式压电俘能器的作用机理，从压电方程和内能平衡出，发建立了悬臂梁式压电俘能器单晶片压电振子、双晶片串联压电振子和双晶片并联压电振子的电压输出灵敏度数学模型。ＡＳＳ中分别建立了三种压电振子的有限元模型，在ＮＹ仿真得到三种压电振子的基板厚度与输出电压
中图分类号：Ｈ１，Ｎ８，Ｍ６９文献标识码：Ｔ６Ｔ３４Ｔ１Ａ
１言引
・
为电能有静电式、电磁式和压电式三种方法。压电俘能装置利用压电材料的振动来实现机械能向电能的转换，常用的有矩形和圆
ｐｉｚｅｅｔｉｅｏａｈｉｈｅｔｏｔｔｖｌｇ．ｅｏｌｃｒｃｓｎｒｈｓｔｅｈｇｓｕｐｕｏｔｅｓａＫｅｒ：ｅｏｌｃｒｃｅｒｙｈｖｓｉｙｗｏｄｓＰｉｚｅｅｔｉｎｅｇａｒｅｔｎｇ；ｎｔｌｖｒｂｅｍ；ｏｌＣａｉｅｅａＭｄｅｉｎｇ；ｎｉｅｅｅｅａｙｓｓＦｉｔｌｍｎｔａｎｌｉ

压电悬臂梁振动发培训材料

悬臂梁振动的计算方法
计算悬臂梁的振动频率、振型和最大振幅可以采用受力分析方法和能量法。
压电悬臂梁实验步骤
1 制备压电悬臂梁
将压电材料，如PZT、 PVDF等，涂布在悬臂梁的一端，待干燥。
2 安装传感器
使用加速度传感器和压电传感器测量悬臂梁的振动情况和电荷变化。
3 施加力量
利用施力机构施加周期性的力量，使悬臂梁振动。
压电悬臂梁简介
压电悬臂梁是指将压电材料烧结在悬臂梁的自由端，当外界施加不规则力量时，悬臂梁振动，从而引发压电材料表面电荷变化，产生电能的一种悬臂梁。
压电悬臂梁的原理
1
压电与机械耦合效应
2
压电材料位移导致电荷变化，电荷变化
导致压电材料压缩变形，扩大位移，实
现机电耦合。
3
压电效应
施加力量后，压电材料压缩变形，导致正负电荷中心偏离，从而产生电荷极化和电势差。
谐振效应
悬臂梁被谐振，压电材料产生周期性电荷变化，进而形成周期性电势差和电能输出。
压电悬臂梁的应用
压电发电
压电悬臂梁可以将自然界中的环境振动转化成电能，应用于低功率能量收集和传感器中。 Nhomakorabea结构健康监测
利用压电悬臂梁的谐振特性，对建筑结构、桥梁、铁路、飞机等的损伤程度进行监测。
生物医学图像
将压电材料置于生物组织或仿生结构中，进行生物力学、肌肉电信号等方面的研究。
压电悬臂梁实验结果分析
振动模态研究
1. 压电悬臂梁固有频率 2. 压电悬臂梁振型 3. 振动振幅变化
压电效率测试
1. 施加不同振动频率 2. 测量不同电荷输出 3. 计算压电效率
机电耦合分析
关注应力-位移及电荷-位移的相互作用，建立结构、电、机耦合模型，分析相应的动力学响应规律。

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。

一种冲击式悬臂梁压电俘能器的设计与实验

第３９卷第３期压　电　与　声　光Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．３２０１７年６月ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣＳ　＆ＡＣＯＵＳＴＯＯＰＴＩＣＳ　Ｊｕｎ．２０１７收稿日期：２０１６－０７－１４基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１１７５３５９）；２０１４年度江苏省第四期“３３３工程”科研基金资助项目（ＢＲＡ２０１４０８６）；“青蓝工程”基金资助项目作者简介：汪红兵（１９７７－），男，安徽省舒城县人，副教授，硕士，主要从事压电驱动与压电俘能技术的研究。

文章编号：１００４－２４７４（２０１７）０３－０４２６－０４一种冲击式悬臂梁压电俘能器的设计与实验汪红兵，孙春华（苏州市职业大学机电工程学院，江苏苏州２１５１０４）摘　要：为提高悬臂梁压电俘能器的俘能效率，提出了一种冲击式悬臂梁压电俘能器。

该俘能器包括多个悬臂梁压电振子，可在风力、人体动力能及环境振动能等多种外载荷作用下产生电能。

俘能器的核心部件是悬臂梁压电振子，通过冲击实验发现悬臂梁压电振子在周期性冲击载荷作用下拓宽了共振频率，同时提高了输出功率。

测试结果显示在频率约为２１Ｈｚ的方波冲击信号下，外接电阻为５０ｋΩ时，单个悬臂压电俘能器最大输出功率可达０．２８ｍＷ；当频率分别为５Ｈｚ、８．５Ｈｚ时，还可分别输出０．０７ｍＷ和０．１７ｍＷ的功率，俘能器出现多个峰值电功率。

研究表明所设计的冲击式压电俘能器可有效提高俘能效率。

关键词：冲击；悬臂梁；压电俘能器；共振；振子中图分类号：ＴＮ３８４文献标识码：ＡＤｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｏｎ　ａｎ　Ｉｍｐａｃｔ　Ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ＨａｒｖｅｓｔｅｒＷＡＮＧ　Ｈｏｎｇｂｉｎｇ，ＳＵＮ　Ｃｈｕｎｈｕａ（Ｄｅｐｔ．ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｕｚｈｏｕ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｕｚｈｏｕ　２１５１０４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ　ｉｍｐａｃｔ　ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｈａｒｖｅｓｔｅｒ　ｗｈｉｃｈ　ｃｏｎｓｉｓｔｓ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｉｂｒａｔｏｒｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｅ　ｈａｒｖｅｓｔｅｒ　ｃｏｕｌｄ　ｇｅｎｅｒａｔｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆ　ｓｏｍｅ　ｏｕｔｅｒ　ｌｏａｄｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｗｉｎｄ，ｂｏｄｙ　ｋｉｎｅｔｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｅｎｅｒｇｙ．Ｔｈｅ　ｃｏｒｅ　ｐａｒｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈａｒ－ｖｅｓｔｅｒ　ｗａｓｓ　ｔｈｅ　ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｉｂｒａｔｏｒ．Ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｔｅｓｔ　ｗａｓｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｒｅｓｏ－ｎａｎｃｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｓ　ｂｒｏａｄｅｎｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｅｒｉｏｄｉｃ　ｉｍｐａｃｔ　ｌｏａｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ　ｗａｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍａｌ　ｏｕｔｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｉｂｒａｔｏｒ　ｗａｓ　ａｂｏｕｔ　０．２８ｍＷ　ｗｈｅｎｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｑｕａｒｅ　ｗａｖｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｓｉｇｎａｌ　ｗａｓｓ　ａｂｏｕｔ　２１Ｈｚ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｏａｄ　ｗａｓ　５０ｋΩ．Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｗａｓａｂｏｕｔ　５Ｈｚ　ａｎｄ　８．５Ｈｚ，ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ　ｗａｓ　０．０７ｍＷ　ａｎｄ　０．１７ｍＷ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅｉｍｐａｃｔ　ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｈａｒｖｅｓｔｅｒ　ｃｏｕｌｄ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｉｍｐａｃｔ；ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ；ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｈａｒｖｅｓｔｅｒ；ｒｅｓｏｎａｎｃｅ；ｖｉｂｒａｔｏｒ　０　引言近年来，随着大规模分布式无线传感系统及微功率器的快速发展，传统化学电池供能方式虽在一定程度上满足需求，但存在如体积较大，寿命有限，需要定期更换等缺点［１］。

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下一步工作
• • • • 了解悬臂梁的理论建模了解各模拟态下理论计算熟悉悬臂梁各参数对实验结果的影响并计算熟悉实验流程及操作，为去大连实验做准备
Cho J, Anderson M,Richards R, et al.Optimization of electromechanical coupling for a thin-film PZT membrane II Experiment[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering.2005,15(10): 1804-1809
悬臂梁压电浮能器概要与认识
浮能器的应用领域
图1.1 俘能器应用领域
压电效应与反压电效应
压电材料极化 • 压电材料一般需要进行极化之后才能有效的俘获能量。极化是在某一温度下对压电材料的两个表面加以一段时间的直流电压实现的。极化之后，剩余极化出现，电荷在电极上积累，因此就具有了压电性。该过程中偶极子的移动示意图
Figure 10. Agenerator prototype made from PZT-5A.
Figure 11. Thepiezoelectric generator mounted into a vibrometerused for testБайду номын сангаасng.
Connection between the electrostatic shaker (as the part that moves the system), the clamping device, and the energy harvester device with proof mass I. Energy harvester device is electrically wired through electrical leads in order to pull the voltage/current off as shown in the left.
Challa VR,Prasad MG,Shi Y,et al.A vibration energy harvesting device with bidirectional resonance frequency tunability.Smart Materials and Structures.2008, 17:015035.
压电俘能性能测试仪器
Tektronix AFG 3021B信号发生器
YE5871A功率放大器
JZK-5振动台
Tektronix TDS 1002数字示波器
性能测试现场
实验数据测量与分析
在RL=1MΩ下d15与d31频率输出特性比较
问题与思考
1.怎么降低压电浮能器的谐振频率，由于自然环境中大部分能量为低频能量 2.怎么在低频条件下获得多个谐振频率 3.怎么实现自适应谐振频率压电浮能器 4.怎么优化结构实现高的机电耦合系数和输出电压及功率 5.怎么获得高效的整流电路 6.怎么开发高效的储存电路
共面串联模型和单晶片模型
可集成悬臂梁压电浮能器模拟单元
基于ANSYS的器件有限元建模，网格划分(a)和模态变形(b)
ANSYS分析矩形压电片应力
ANSYS分析矩形压电片电压
不同模态谐振频率下的结构响应
(a) 第一阶模态
(a) 第二阶模态
(a) 第三阶模态
(a) 第四阶模态
压电浮能器机电耦合系统模拟
压电效应模式
三种模式压电效应
(a) d33模式
(b) d31模式
(c) d15模式
悬臂梁压电浮能器模拟结构
宾夕法尼亚州立大学研制的铙钹换能器是一种夹心式压电浮能器装置。该装置主要由钢帽和压电片构成。压电片陶瓷片的上下两端都与钢帽粘合，通过钢帽的的振动迫使压电陶瓷承受环交变力从而产生交变电压。测试结果表明在外力为100N左右、频率为100-200Hz的环境下，对其施加70N的交变力载荷若负载电阻为400Ω、则可以获得52mW功率。
Experimental setup for demonstration of the effect of strain nodes on the voltage output
悬臂梁压电浮能器的实验仿真
Experimental set-up for the one-stage energy harvesting scheme