基于分块压电悬臂梁的压电地板单元研制

摘要

压电式地板能量收集系统是不影响人自由活动情况下把人群移动时产生的踩踏动能转换成电能，具有不受电磁干扰、不产生噪音、无传动装置等优点。目前压电地板输出的功率小，没有能够把人踩踏所产生的动能充分转化成电能。因此，本文提出了将周边固支的压电结构分块成若干个悬臂梁来提高踩踏位移量和功率的方法。
　　通过ANSYS有限元分析软件对各种不同的压电地板单元结构的输出功率进行有限元比较分析，首先比较整体式压电结构和分块式压电悬臂梁结构的输出功率，包括同体积下的圆盘和四个并联扇形压电结构、方形压电结构和四个直角三角形压电悬臂梁结构，进一步对同样厚度和同样踩踏位移变量情况下比较顶角为60度、90度、120度的三角形和圆形压电结构输出功率来选取最优的结构。最终仿真结构表明顶角为60度三角形压电悬臂梁在相同压电片和基板厚度下输出功率最大，顶角为60度、90度、120度的三角形压电悬臂梁在相同位移时输出功率相差不大。
　　本文测试了压电片和基板厚度相同的整体长方形压电结构和两个长方形分块式压电悬臂梁结构在相同激振条件下的输出功率，测试结果表明两个长方形分块式压电悬臂梁结构的输出功率是整体长方形压电结构的8倍。进一步测试压电片和基板厚度相同的顶角为60度、90度、120度三角形压电悬臂梁结构在相同激振条件下的输出功率。测试结构表明60度的三角形压电悬臂梁输出功率最大。因此选用60度三角形悬臂梁来制作六边形压电地板单元，包括压电片、固定压板、压板和盖板等组成。用手按压测试后得到输出功率为到1.29mW，点亮两个LED灯。
　　仿真和测试结果表明，分块压电悬臂梁的压电地板单元极大地提高了发电量，依分块方式不同输出功率是同样体积整体式压电结构输出功率的7～10倍。