压电悬臂梁振动能量收集器的电极优化设计

摘要

环境中广泛存在着各种形式的机械振动能量，利用压电式能量收集系统把振动能量转化为电能，并为低功耗的电子器件供电，具有较大的研究价值。压电悬臂梁作为最常用的换能部件，无论是结构尺寸还是电极分布等都影响着压电俘能的电气特性，本文从电极占比的角度研究了电极分布对压电悬臂梁俘能特性的影响。 首先，利用ANSYS软件对矩形和三角形梁进行建模，对其进行了静态、模态、谐响应分析以及瞬态仿真分析，仿真了两种梁在不同电极占比的情况下的输出特性，其结果表明，矩形梁和三角形梁电极占比分别为50%和60%时输出功率最大，且两种梁的输出开路电压和匹配负载都随着电极占比的增大而减小。 其次，利用压电悬臂梁的振型函数推导得到矩形梁和三角形梁在能量收集过程中存储的电场能量与电极占比的关系，末端无质量块时，其最优电极占比分别为52%和57%。当矩形梁末端存在质量块的情况下，质量块与悬臂梁的相对质量比由0增加到0.85的过程中，最优电极占比由52%增加到67%，当相对质量比大于0.85时，最优电极占比为67%保持不变。并探究了电极占比对悬臂梁输出特性影响的本质。明确了压电悬臂梁在其一阶模态下应变不均匀分布的特性决定了其在振动过程中存在电荷重分配的过程，该过程存在能量损失，损失的能量以电磁辐射的形式耗散。 再次，设计并进行了矩形梁和三角形梁的验证实验，实验结果证明了矩形和三角形梁最优电极占比的存在，矩形梁和三角形梁分别在60%和50%时获得最大输出功率，是电极占比100%时最大输出功率的1.45倍和1.17倍。 最后，将本文提出的电极优化方法应用于PZT悬臂梁，并利用LED灯作为负载，比较其亮度和点亮的数量情况进一步验证其最优电极占比的存在。实验结果表明，点亮三个LED时，电极占比为50%时的最大输出功率是100%时的4.8倍，证明了电极优化设计对悬臂梁式压电能量收集系统的重要性。 综上，无论是理论分析还是实验结果均表明，矩形和三角形压电悬臂梁存在最优电极占比，最优占比在50%~60%之间。在实际应用中可通过优化电极占比来提高输出功率和能量转化效率是可行的，本文的工作为压电俘能系统中电极的优化设计提供了指导意义。

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