壓電換能器設計與能量獲取特性研究

1.引言

壓電換能器是指利用壓電材料的正逆壓電效應制成的換能器，就是指可以進行能量轉換的器件。壓電換能器的應用十分廣泛，它按應用的行業分為工業、農業、交通運輸、生活、醫療及軍事等諸多行業，按實現的作用分為超聲加工、超聲清洗、超聲探測、檢測、監測等。壓電換能器的能量獲取作為能源回收再利用的方法之一具有重要的實際意義和研究價值，且壓電陶瓷的壓電效應特性有重要的應用價值，本文在單層壓電懸臂梁在其自由端放置質量塊的情況下進行低頻振動的能量獲取進行了特性研究，給出了其特性的變化規律。

2.系統原理及建模

2.1 系統組成及原理

壓電懸臂梁的工作原理是在壓電層的上下電極之間施加交變電壓，由逆壓電效應，在壓電層上將產生相應的變形從而帶動微懸臂梁振動。(如圖1)建立的模型為壓電懸臂梁兩層結構，以PZT為壓電薄膜材料，不銹鋼為壓電懸臂梁型的結構。運用微加工技術，在絕緣體上不銹鋼存底上制備較厚的壓電薄膜，不銹鋼層作為主要彈性層。

為了降低諧振頻率，在自由端固定以質量塊，使之在環境振動頻率下能夠給實現共振，從而滿足最大電能輸出。工作時，質量塊和壓電懸臂梁一起振動，上下兩個表面所受到應力相異，即上表面受到壓應力，則下表面受到拉應力，反之亦然，因此上下電極所產生的電荷極性也相反。依據正壓電效應，壓電層表面將產生電荷，從而在上下兩個電極之間產生電勢差，利用轉換電路可將該電能輸入到儲能元件中，或直接作為微功耗負載的供電電源。

2.2 壓電換能器計算方法

由于正壓電效應，微懸臂梁的振動在壓電層上將產生電荷的積聚，其總電荷為：Q=Q1+Q2+Q3+QP,其中Q1,Q2,Q3分別為壓電層的空間3個方向上發生應變而產生的壓電電荷;QP為由于激勵電壓的作用，在壓電層的等效電容上聚集的電荷。

在壓電層發生應變產生的壓電電荷中，由于微懸臂梁的振動(沿水平方向)引起的壓電膜在水平上應變(拉伸和收縮)而產生的壓電電荷遠大于其他方向壓電產生的電壓，因此可以忽略由其他兩個方向應變產生的壓電電荷。總電荷量為：Q=Q1+QP,其中，Q1=d31EPS1A.式中，A為壓電膜的面積：S1為壓電層在水平方向上的應變：EP為壓電層材料的彈性模量：d31為壓電層的壓電常數。

壓電薄膜的上下兩表面分別沉積了金屬電極，中間的PZT材料為絕緣體，這樣就構成一個電容器，等效電容為Cp當只考慮正壓電效應時，壓電薄膜可以等效電流源。

3.不銹鋼層和壓電層厚度分析

改變不銹鋼層和壓電層的厚度，分析其產生的影響：

由圖2-1、2-2可知，不銹鋼的厚度與壓電片的厚度相關，厚度越薄，其輸出電壓越高。這是因為當縮減不銹鋼層的厚度與壓電層的厚度時，會使結構厚度變薄，使懸臂梁更容易產生彎曲形變，如此可以增加壓電片的內部平均應力;但改變不銹鋼層的厚度與壓電層的厚度將會造成中性軸位置偏移，若不銹鋼層的厚度太薄，會使中性軸位于壓電片內，進而導致壓電片內部同時受到拉應力與壓應力的分布，如此造成壓電片內部的平均應力因應力的抵消而減少，輸出電壓也就跟著降低;而假如壓電層的厚度太薄，將使壓電元件體積過小，因而能提供電能的體積太小，導致輸出電壓下降。而輸出電壓隨PZT厚度的增加而增大，這是由于PZT厚度的增加使振動過程中電荷積聚增多的緣故，綜合來看雖然，越薄的結構越能滿足低頻諧振的要求，但其輸出電壓和功率都會下降，PZT層的厚度是影響輸出電壓和功率的重要因素，較高的輸出電壓和轉換功率有利于驅動較大的負載，因此在結構設計時可以盡可能的增加PZT層，以獲取較高的能量。

4.尺寸參數對換能器性能影響

本節就壓電懸臂梁結構的幾何參數，包括質量塊的質量，梁長，梁寬及外部負載對諧振頻率，輸出電壓及轉換功率的影響加以分析。在分析任何一個幾何量的影響時，其他量均保持不變。

4.1 壓電懸臂梁長度的影響

分析壓電懸臂梁長度對換能器性能的影響，如圖3-1所示，當壓電懸臂梁的長度逐漸增大時，其諧振頻率在逐漸減小。

懸臂梁長度的增加，有利于降低結構諧振頻率，但是實際設計中，懸臂梁也不應該過長，否則在激烈振動的環境或較強沖擊作用時，會因結構自身的重力因素導致大幅度彎曲甚至斷裂。

圖3-2,圖3-3分別表示輸出電壓、功率隨梁長度的增加而發生變化的曲線。分析發現，增加壓電懸臂梁的長度會使結構整體的諧振頻率下降，但同時也會使電壓和功率降低，所以，對于實際應用而言，對于壓電懸臂梁長度的設計，不僅要考慮到與環境振動的耦合程度(諧振頻率)，同時還要兼顧輸出電壓和功率的大小，即負載的要求。一般而言，通過增大質量塊尺寸的方式減小結構諧振頻率，而限制壓電懸臂梁的長度，以達到較高的輸出電壓值。

電荷放大器相關文章:電荷放大器原理

上一頁 1 2 下一頁