基于压电陶瓷的悬臂梁振动能量收集仿真与试验研究
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摘要
随着MEMS技术的日益发展,以化学电池为主的供电方式的弊端日渐显露,如体积大、安装困难、寿命短等。基于压电陶瓷的振动能量收集器以其结构简单、清洁环保及易于微型化等诸多优点得到了极大重视,并在国内外掀起了对压电式振动能量收集器装置的研究热潮。本文利用压电材料的正压电效应,收集一端固支的悬臂梁的振动能量并加以储存,研究采用理论分析与试验相结合的方式。在理论方面,根据机电理论和振动理论建立了压电能量收集器的双向耦合分布参数模型见式(1),对压电陶瓷的发电能力进行预测。利用MATLAB软件的SIMULATE模块进行仿真,分析压电悬臂梁自由端在正弦激励信号下的输出电压、电流、功率随激励信号频率的变化规律。试验方面,选用PZT-5压电陶瓷片,用环氧树脂胶将压电片粘贴在矩形铝制悬臂梁的根部。在自由端施加一个正弦激励信号,产生交变电流,通过信号采集系统采集分析电流和电压的变化规律,同时引入了AC-DC整流电路和滤波电容,得到恒定电压输出,便于存储,试验原理图见图1。理论仿真与试验结果对比,验证压电-悬臂梁能量收集仿真建模的正确性。■式中M_i,K_i分别是第i阶模态质量和模态刚度,u_i为第i阶模态响应,_i耦合系数,b_p,h_p,h_b分别是压电片宽度,高度和铝制梁的厚度,x_p表示压电片的纵向位置,L_p表示压电片的长度,e*_(31)为压电片的弹性模量。P为作用在悬臂梁末端的集中力,V为输出电压,R为负载电阻,C_p为压电片的电容。
引文