愛華網(wǎng)???? 1.引言 傳統(tǒng)的化學(xué)電池供電一直以來很受到人們的青睞，是因為它本身存在許多優(yōu)點(diǎn)，例如供能方便，簡單質(zhì)能比大，制造成本低等，但是它本身也存在許多無法彌補(bǔ)的缺陷：電池的壽命有限，需要定期更換；蓄電池對環(huán)境的污染很嚴(yán)重。隨著網(wǎng)絡(luò)分布的日益廣泛，微器件數(shù)目越來越龐大，并且由于有些微器件的工作位置難以再觸及(比如體內(nèi)，戰(zhàn)場，動物群體等)，電池更換變得極為不便甚至于不可能,除此之外,在許多不能提供能源或者易燃易爆等危險場合，電池更換問題難以解決[1]。因此，如何向微電子產(chǎn)品無線供能已經(jīng)成為當(dāng)前迫切需要解決的問題?？紤]到微電子產(chǎn)品的耗能小，可直接從工作環(huán)境中提取能量。環(huán)境中潛在可用的能源有:：太陽能、溫差、振動和噪聲等。太陽能和溫差供能技術(shù)由于受到自然條件的限制而難以廣泛使用，但工作環(huán)境中的噪聲或振動能卻幾乎無處不在且具有較高的能量密度[2] ，所以解決微電子產(chǎn)品供能問題的一個有效的方法就是研究一種俘能器能直接從微電子器件工作環(huán)境中俘獲振動能量并為其供能,其中有電磁感應(yīng)、靜電和壓電效應(yīng)[2]等技術(shù)實現(xiàn)這功能。由壓電材料制成的壓電俘能裝置因具有結(jié)構(gòu)簡單、不發(fā)熱、無電磁干擾、無污染、易于加工制作和實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的微小化、集成化等諸多優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注[3] 。 對俘能器的研究，國外已經(jīng)取得了許多成果，國內(nèi)還處于起步階段，本文將對壓電俘能結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究與分析。壓電懸臂梁俘能器的示意圖如圖1。 圖1 壓電懸臂俘能器的示意圖 2.壓電俘能器的有限元靜力學(xué)分析 對壓電俘能器進(jìn)行有限元分析時壓電材料選用了，基體材料分別選用鋁等彈性材料。壓電材料的各材料參數(shù)如下： 壓電雙晶片懸臂梁結(jié)構(gòu)俘能器的發(fā)電能力主要是與懸臂梁的幾何尺寸，懸臂梁基體的材料有關(guān)，這里主要是研究懸臂梁的寬度、長度、材料，懸臂梁端部受力對俘能器發(fā)電能力的影響。這里還討論了壓電俘能器在諧振狀態(tài)下發(fā)電能力。 在用ANSYS進(jìn)行分析時，首先選用鋁材進(jìn)行分析，基體選用單元來仿真，壓電片選用單元來模擬。壓電俘能器的幾何模型和有限元模型如圖2，壓電片貼在距離端部的位置。 接下來我們分別選擇了不同的材料進(jìn)行模擬分析，選擇的材料如下表 在懸臂梁的端部分別施加的集中力得到了如圖3所示的結(jié)果，在同等的條件下，鋁作為基體時，壓電俘能器產(chǎn)生的電壓最強(qiáng)，鈹青銅次之，碳素纖維第三。所以我們在試驗時采用鋁作為基體。 圖3基體材料對壓電懸臂梁發(fā)電能力的影響 在材料選定的情況下，分析了基體的幾何尺寸對壓電俘能器發(fā)電性能的影響，得到了圖4到圖8的結(jié)果 由圖4到圖7可以看出，壓電懸臂梁所產(chǎn)生的電壓和端部受到的力成線性關(guān)系；隨著基體寬度的增加，壓電懸臂的所產(chǎn)生的電壓不斷下降，并且不是嚴(yán)格的成線性變化的；隨著基體長度的增加壓電懸臂梁所產(chǎn)生的電壓不斷增加，但是不是成線性的變化，在不同的區(qū)域，長度增加量對壓電懸臂梁發(fā)電能力的影響是不同的，其中在長度為到之間影響最大；隨著厚度比的增加，壓電懸臂梁所產(chǎn)生的電壓先增加再減小，在厚度比為到之間產(chǎn)生最大值。 3. 壓電俘能器模態(tài)與諧響應(yīng)分析 通過以上的靜力學(xué)分析，得到了壓電懸臂梁的的幾何參數(shù)和材料，由于我們一般振動源的固有頻率都比較低，而俘能能器工作在固有頻率之下時的峰值電壓和能量密度比非諧振狀態(tài)下要大很多[4]，而在懸臂梁的自由端加質(zhì)量塊可以降低俘能器的固有頻率，我們通過對俘能器進(jìn)行模態(tài)分析得到了圖8質(zhì)量塊的質(zhì)量和俘能器固有頻率的關(guān)系。圖9是沒有質(zhì)量塊時俘能器的諧響應(yīng)分析結(jié)果 俘能器的能量源一般是外界環(huán)境的振動，而外界環(huán)境的振動頻率一般為20HZ以下，結(jié)合基體幾何尺寸和材料對發(fā)電能力的影響，我們選擇的俘能器的長、寬、高分別選擇、、；壓電的長、寬、高分別為、、；自由端的質(zhì)量塊的質(zhì)量為。 3.振動能量俘獲試驗 振動能量捕獲實驗臺可以分為硬件和軟件部分，硬件部分由激振系統(tǒng)、復(fù)合懸臂梁、傳感單元和數(shù)據(jù)采集卡組成，軟件部分主要是用Labview軟件編程建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖10為實驗臺結(jié)構(gòu)原理圖，圖11為試驗臺全圖。 實驗過程中我們將壓電懸臂梁在不同的頻率下工作，得到了圖11、圖12的結(jié)果。由圖11、圖12可以看出在激振頻率為14Hz時，壓電懸臂梁產(chǎn)生了共振，在共振狀態(tài)下產(chǎn)生的幅值電壓達(dá)到了，輸出的功率可以達(dá)到。 3.結(jié)論 本文利用ANSYS分別分析了基體的材料、幾何尺寸對懸臂梁壓電俘能器發(fā)電能力的影響，另外還討論了自由端質(zhì)量塊對壓電懸臂梁固有頻率和發(fā)電能力的影響，在此基礎(chǔ)上確定壓電懸臂梁的幾何參數(shù)和材料，最后對設(shè)計的俘能器進(jìn)行振動能量俘獲試驗，取得了很好的效果。 參考文獻(xiàn) [1] Guan.M.J, Liao.W.H. On the efficiencies of piezoelectric energy harvesting circuits towards storage device voltages [J]. Smart Materials And Structures. 2007, 16:498-505. [2] 尚曉江，邱峰，趙海峰等. ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法與范例應(yīng)用（第二版） [M]. 北京：中國水利水電出版社，2008. [3] 王磊，多諧振頻率壓電能量回收結(jié)構(gòu)特性及實驗研究 [D]. 北京：北京交通大學(xué),2010. [4] 胡洪平, 低頻壓電俘能器研究 [D]. 武漢：華中科技大學(xué),2006
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