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1、. . . . 编号航空航天大学金城学院毕业设计基于压电悬臂梁的振动能量获取方法的研究学生包蒙恩学 号2007023206系 部自动化专 业测控技术与仪器班 级20070232指导教师开宇二一一年六月航空航天大学金城学院本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人重声明：所呈交的毕业设计（论文）（题目：）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。作者签名： 年 月 日 （学号）： / 基于压电悬臂梁的振动能量获取方法的研究摘 要振动是一种普通的物理现像，振动式微型发电机通过振
2、动能量采集装置将外部的振动能转换成电能，可工作在各种存在振动的环境中，具有很好的应用情境。这种结构的特点是构造简单、加工方便、可以组成各种复杂的机构、可得到相对低的共振频率和相对大的形变等。应压电式微型发电机无需外界电源。较高的几点耦合特性和功率密度而受到关注。此类发电机大都采用压电悬臂梁结构作为转换元件。本文对压电悬臂梁振动能量采集装置的模型的关键部件压电悬臂梁进行了理论分析与有限元仿真分析。求解其谐振频率，并研究质量块、PZT层厚度、悬臂梁长度、宽度等因素对谐振频率和输出功率的影响。本文主要容包括：1.介绍了振动式微型发电机,特别是压电悬臂梁结构的振动发电机的原理与研究现状,以 与存在的问
3、题。 2.依据环境振动的特点,建立了以末端固定质量块的压电悬臂梁作为换能元件的振动能 量采集装置的模型。对压电材料的特性、电流等效电路进行理论分析,并推导了压电悬 臂梁结构谐振频率、能量采集装置输出电功率的方程。 3.利用有限元分析软件ANSYS对压电悬臂梁结构进行分析。求解其谐振频率,并讨论了质量块、PZT层厚度、悬臂梁长度、宽度等因素对谐振频率和输出功率的影响。 关键词：压电悬臂梁振动能量采集谐振频率 ANSYS有限元素分析ABSTRACTThe energy of vibration is widely spread,and the miniature vibration-based g
4、enerator may withdraw it and transform into the energy which may use directly.Among them,vibration-based generator acquirement most attention as piezoelectric mode for its advantage of working condition without power source,high mechanical and electrical coupling characteristic and power density.Thi
5、s kind of generator largely extent,uses the piezoelectric cantilever structure as inverting element.For the reason that of simple structure and convenient processing,the resonancefrequency,geometry and material of piezoelectric cantilevers have an immediate effect on working condition and output of
6、energy harvesting device.This article has established the piezoelectric cantilever model for vibrational energy harvesting.Theoretical analysis and ANSYS finite element analysis were carried on,in view of its key componentpiezoelectric beam,including itsenergy conversion process,resonance frequency
7、solution and output.Main Content：1.Introduction of vibration-based generator,especially the principle and presentresearch for those use piezoelectric cantilever structures,as well as existentproblem.2.Based on the characteristic of environment vibration,model of energyharvesting device using piezoel
8、ectric cantilever was established.3.Theoretical analyses of piezoelectric cantilever were carried on for materialcharacteristic,electric equivalent circuit and so on.The formulas of resonancefrequencies and output power were deduced.KEY WORDS：piezoelectric cantilever,vibrational energy harvesting,re
9、sonancefrequency,ANSYS finite element analysis,目 录摘 要3Abstract4第一章 绪 论71.1 微能源概述71.2振动能71.3 振动式微型发电机研究现状81.3.1 电磁式81.3.2 静电式81.3.3 压电式91.4 压电悬臂梁式振动发电机91.5 课题研究的意义与主要工作10第二章 压电悬臂梁振动能量采集装置的理论分析122.1 压电材料介绍122.1.1 压电现象与压电效应122.1.2 压电方程组132.1.3 d33 和d31 压电模式132.1.4 常用压电材料分类142.2 压电悬臂梁振动能量采集装置152.2.1 两种压
10、电悬臂梁结构152.2.2 压电悬臂梁振动能量采集装置组成162.2.3 压电悬臂梁层合梁模型162.2.4 振动能量的获取172.2.5 矩形压电悬臂梁结构的谐振频率182.3 压电悬臂梁振动的其他分析方式192.3.1 基于梁的理论的压电悬臂梁弯曲分析202.3.2 基于能量守恒的压电悬臂梁弯曲分析20第三章 压电悬臂梁结构的有限元分析223.1 有限元法理论223.1.1 有限单元法的基本原理和基本思路223.1.2 有限元分析流程233.1.3 ANSYS有限元分析233.1.4 压电耦合场分析243.2 压电悬臂梁结构的仿真分析253.2.1 压电悬臂梁尺寸参数与材料基本属性253.
11、2.2 压电参数定义273.2.3 压电悬臂梁结构ANSYS模型网格划分303.2.4 仿真结果分析333.2.5 尺寸因素对结构谐振频率、电压、功率的影响36第四章 总结与展望434.1 总结434.2 工作展望43第五章 参考文献45致47第一章 绪 论首先本章对微能源与环境中的振动能进行了概述，随后分析了振动式微型发电机的研究现状，并重点介绍了压电悬臂梁式微型发电机的工作原理，国外的研究现状与存在的问题。最后提出了对于研究可获取振动能量的压电悬臂梁结构的意义与本文的主要工作。1.1 微能源概述产品小型化、微型化、集成化是当今技术发展的大趋势，能源供应已成为制约产品微型化技术发展的瓶颈，其
12、微型化问题受到广泛的重视。结合目前国外微能源的发展现状，分别介绍了微太阳能电池、同位素微能源和基于卡门涡街的压电微能源等几种典型的微能源，并展望了微能源的发展趋势和应用前景。由此，人们提出了微能源的概念。微能源既指较微小的能源类型，又指微型的可提供能量的元件。近年来，随着MEMs技术以与超大集成电路低能耗设计技术的迅速发展，微电子器件的体积越来越小，能耗越来越低，其中无线传感器工作所需输入功率一般为10一1000mw2，3。如此低的能耗使得直接从环境中提取可再生能量供给微电子器件工作成为可能。环境中可供利用的可再生能源包括太阳能、温差、机械振动以与噪声等等。微能源主要分为微型电池和微型发电机两
13、大类微型电池的种类很多，包括微型燃料电池、微型化学电池、微型锂电池、微型热电池、微型太阳能电池、微型核电池等。其中，微型化学电池是最接近实用化的微能源，而微型燃料电池以其能量效率高和清洁无污染的特点更容易实现微型化。而微型电池在某些应用场合，例如长期存在于野外的无线传感器结点，由于电池需要更换，燃料需要补充，其实用性便会降低，成为很不便利的能量供给方案。所以，利用自然界中的能量制造高效、污染、且可以长久利用的能源的方案得到越来越多科学家的支持。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，振动式微型发电机可通过振动能量采集装置将外部的振动能转换成电
14、能，可工作在各种存在振动的环境中，具有很好的应用前景。1.2 振动能振动在环境中无处不在，与其他能量收集方式相比应用围更广泛。因此对利用振动能进行发电并对外供能的研究较多。环境中的振动往往频率较低，所以可收集环境中振动能的能量获取装置的设计，应使其满足可应用于低频振动的环境中。太阳能是自然界普遍存在的能源，在直接光照下，硅太阳电池可以产生的功率密度为15mW/cm3。但是在普通的办公室，同样的太阳能电池的功率密度只有6W/cm3。可见，太阳能电池只有在获得足够强的光照的条件下才能有效工作，因此其应用受到一定程度的限制。1.3 振动式微型发电机研究现状随着人类环保意识的日益增强，排放标准越来越严
15、格，人们对可靠的不间断电力的需求也日益增强，传统的发电装置已不能满足人类的需要，各国都开始了对清洁、可靠、廉价的微型发电装置的研究。美国、日本、荷兰、英国等发达国家已经着手研制基于不同原理的小型发电装置，目前研究的最多、最具应用前景的小型发电装置是利用电磁和压电原理制作的。振动式微型发电机结构的特点是构造简单、加工方便、可以组成各种复杂的机构、可得到相对低的共振频率和相对大的形变等。微型发电机应满足体积更小、重量更轻以与符合经济、安全、环保的发电要求和满足储能系统对能量的需求等。振动式微型发电机按原理的不同主要分为电磁式、静电式和压电式。本节分别介绍了这三种方式。1.3.1 电磁式电磁式振动发电机是利用电磁感应现象将机械能转换成电能，其工作原理为：固定于磁体产生的磁场中的线圈，附在振动的质量块下面，质量块振动时，由于通过
