壓電換能器設計與能量獲取特性研究(編輯修改稿)
2025-06-26 15:10 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 83。（ 310） 將（ 32），（ 33）中參數(shù)帶入（ 310）中可以得到功率和材料性能以及結構尺寸的數(shù)學關系： P=VC2/R=ω2u02Re312h12b2(h1+h2)2/[（ 2ωblRεs33+π h1） 2l2]（ 311） 可見，采集能量的功率 P 與振動的頻率，振幅，幾何尺寸，電路負載有關。其中，振動頻率是至關重要的因素。當外界振動達到模型的基頻諧振頻率是（ ω=ω0）時，振幅最大，獲取的電壓和功率可以達到峰值 [23]。因此，振動能量采集裝置的結構設計與所涉及的應用環(huán)境是密切相關的，應用必須基于振動頻譜的基本特性。 諧振頻率的推導 江蘇科技大學本科生畢業(yè)設計（說明書） 6 當壓電懸臂梁在其諧振頻率下振動時，其輸出電壓達到最大值。因此諧振頻率是壓電式振動能量采集裝置的一個重要參數(shù)。對于懸臂梁的諧振頻率來說，不能簡單的由梁結構的諧振頻率代替，而必需要考慮末端質(zhì)量塊的作用。 設壓電層的總厚 度 H=h1+h2， h1是 PZT 的厚度， h2是不銹鋼的厚度。又設PZT 的楊氏模量和密度分別為 E1,ρ1，不銹鋼材料的楊氏模量和密度分別為 E2， ρ2，對于壓電層，其厚度，等效楊氏模量和等效密度可以分別表示為： h=h1+h2 (312) E=（ E1h1+E2h2） /(h1+h2) (313) ρ=(ρ1h1+ρ2h2)/(h1+h2) (314) 其基頻諧振頻率可以表示為： ω0=錯誤 !未找到引用源。 *錯誤 !未找到引用源。 (315) ω0是梁的基頻諧振頻率； k 是梁的彈性常數(shù)， m是質(zhì)量塊的質(zhì)量， 錯誤 !未找到引用源。 是梁的有效質(zhì)量，對于矩形懸臂梁， = (316) (近似為 的系數(shù)為鐵木辛柯梁理論推導而得 ) k=Eh3B/(4l3) (317) 將 (316)， (317)帶入 (315)中得： ω0=錯誤 !未找到引用源。 *錯誤 !未找到引用源。 (318) E 是材料的楊氏模量； h 是梁的厚度； b 是梁的寬度； l 是梁的長度。 ρ是材料的密度。 第四部分：結論與小結 懸臂梁長度對輸出壓的影響 江蘇科技大學本科生畢業(yè)設計（說明書） 7 圖 41 PZT 長度對電壓影響對比圖 兩條曲線的趨勢相差不多，由上面圖可以看出懸臂梁結構內(nèi)部應力與固定端最大，而越朝著自由端逐漸遞減，也使得壓電層長度越短是，其內(nèi)部平均應力越大，導致 VS越高。 壓電層厚度對輸出電壓的影響 圖 42 PZT 厚度與不銹鋼厚度影
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