重庆大学本科学生毕业设计(论文) 压电鞋垫结构设计及实验研究 学 生:xxx 学 号:xxxx 指 导 教 师:xxxx 助理指导教师:xxx 专 业:xxxxx 重庆大学光电工程学院 二O一一年六月 Graduation Design Thesis of Chongqing University Structural design and experimental analysis for piezoelectric insole Undergraduate: Yu Yingxin Supervisor: Associate Prof. He Xuefeng Assistant Supervisor : Du Zhigang Major: Electronic Science & Technology College of Optoelectronic Engineering Chongqing University June 2011 摘 要 近年来,人们开始寻找环境中各种能够被利用的能量来直接为便携式电子产品供能,微电源技术的研究成为当前的热点,将人步行的冲击转换为电能的微型发电机也开始受到关注。
为了研究能够将行走时产生的冲击能转化为电能的微型发电机,本文根据压电材料的正压电效应,结合压电鞋垫工作的相关理论,在分析了国内外微型发电机发展现状的基础上,提出基于压电悬臂梁的压电鞋垫新结构,该结构可以将人步行时产生的竖直冲击转化为驱动压电片发电的水平位移然后绘制了压电鞋垫结构模型,对压电鞋垫的原理样机进行了性能测试 本论文主要进行以下工作: ① 介绍了研究背景和几种不同类型的微型发电机的国内外现状,并对比分析了这几种类型的发电机的优缺点; ② 提出了压电鞋垫的结构方案,分析了压电鞋垫工作的相关机理,并利用有限元分析软件ANSYS对压电鞋垫的压电悬臂梁结构进行了性能模拟分析; ③ 根据压电鞋垫的结构方案和仿真结果,结合压电鞋垫所需要满足的实际条件,设计了以悬臂梁压电片为基本换能元件,通过人们步行时对鞋底产生的冲击来挤压悬臂梁压电片,从而产生电能的压电鞋垫结构; ④ 利用微组装技术制作出压电鞋垫原理样机根据实验室条件对压电鞋垫样机进行了测试分析实验结果表明,当人们以2.497HZ的频率踩压电鞋垫的时候,单个压电梁开路峰值电压可达19.7V,有效电压输出可达3.34V,当外接负载电阻为500K?时,单片压电梁输出峰值功率可达12.80uW。
关键词:冲击,压电鞋垫,压电悬臂梁,有限元,微型发电机 ABSTRACT In recent years, people began to look for a variety of environmental energy that can be used to directly supply for portable electronics. The research of the micro-power technology become a hot spot. The micro-generator that can convert the impact of the human foot into electrical energy began to be concerned about. To study the micro-generator that can convert the impact of the human foot into electrical energy, this thesis propose the new structure of piezoelectric insole based on the piezoelectric effect of piezoelectric cantilever. The thesis analyzes the theory of piezoelectric insoles working and the domestic development of micro-generator before I propose the structure. This structure transforms vertical impact that walking generate into the horizontal displacement which drives the piezoelectric chip to generate power.Then I draw the structural model of the piezoelectric insole and test the performance of Piezoelectric insole prototype. The following work is done mainly in this thesis: ① This thesis describes background of the research and the domestic development of different types micro-generator. Then analyze of the advantages and disadvantages of several types of generators by comparing. ② I propose the structure program of piezoelectric insole and analyze the work-related mechanism of piezoelectric insole. Then I analyze the performance of piezoelectric cantilever beams by finite element software ANSYS. ③I analyze the structure programs of piezoelectric insole and simulation resultspiezoelectric insoles need to meet the actual conditions yet. Then I designed structure of the piezoelectric insole that can produce electrical energy through the impact of people’s walking on the soles to squeeze the piezoelectric cantilever chip. ④I manufacture the piezoelectric insole prototype by using the micro-assembly technology. I test and analyze the performance of piezoel97HZ, the test results show that Peak voltage of open circuit of a single piezoelectric beam up to 19.7V, and the effective voltage output of up to 3.34VThen the output peak power of single piezoelectric beam is 12.80uW.Key words: impact, piezoelectric insole, piezoelectric cantilever beam, finite element, micro-generators目录摘 要 IABSTRACT II1 绪 论 11.1课题研究背景及意义 11.2 国内外研究现状 11.2.1微型振动式发电机 21.2.2冲击式微型压电发电机 41.3 研究目的及主要内容 51.4 本章小结 52 压电鞋垫的结构方案和仿真分析 62.1 引言 62.2 压电鞋垫的结构方案 62.3 压电材料的介绍 72.3.1压电现象及压电效应 72.3.2压电材料的工作机理 82.3.3压电悬臂梁的工作模式和结构 92.4 压电悬臂梁的有限元仿真 102.3.1压电悬臂梁结构的仿真分析 112.3.3仿真结果分析 132.5本章小结 143 压电鞋垫的结构设计和样机测试 15 引言 153.2 结构设计 153.3 样机制作 163.3 性能测试及结果分析 183.3.1压电鞋垫的性能测试 183.3.2实验结果分析 233.4 本章小结 234 总结与展望 254.1 总结 254.2 展望 25致 谢 27参 考 文 献 28 1 绪 论 随着无线传感网络和便携式电子产品的不断发展,采用电池供电的传统供能方式已经不能满足日常生活的需求。
为了解决传统供能方式存在的寿命短,需要经常更换并且易污染环境的问题,人们开始采用不同方法从环境中获取能量来为便携式电子产品供电,因此微能源技术的研究成为当前的热点微型发电机可以将自然界中的环境能,比如振动能、风能、太阳能等,转换为可直接使用的能量其中,冲击式微型发电机可通过能量采集装置将外部的冲击能转换成电能,可工作在各种存在振动的环境中,具有很好的应用前景随着MEMS技术和微电子技术的发展,冲击振动发电机可以实现微型化,因此将振动能转换为电能的微型发电机越来越受到人们的广泛关注目前的这类微型发电机主要有电磁式、静电式和压电式三种类型,其中压电式以其压电材料结构简单、成本低廉且便于在应用中实现而更加受到重视 步行是日常生活中最常见的一种现象,利用微型发电机收集步行产生的冲击能量,再通过导线与电子装置连接来为负载供电,这种微能源技术可以随着人们的运动随时随地的为人们提供电能,因此可在某些特殊的领域代替电池或者自动为电池充电,尤其是在一些恶劣的环境或者是更换电池不方便的情况下,更能体现其优点这种微电源的发电功率还可以满足野外军事行动中的通讯联络和无线电跟踪电子装置的使用要求,在军民两用领域均有广阔应用前景。
因此开发这种微型自供电的能量捕获装置,利用人体自身的额外能量满足微功耗的负载电器的能量需求,既可以满足人们事业和生活的需求,又经济环保,具有重要的研究价值和科学意义 1.2 国内外研究现状 随着人们对环保意识的增强以及对可利用的环境能量需求越来越强烈,各国都开始了对清洁、可靠、廉价的微型发电机的研制,我国也开始对这方面的研究重视起来1.2.1 微型振动式发电机 目前的微型振动发电机按照原理的不同主要可。