基于能量法的双晶压电悬臂梁发电装置机电耦合系数分析

一种基于悬臂梁式压电双晶片的能量收集器设计张倩昀;梁国凯;梁朝芳【摘要】,从悬臂梁式压电能量收集器结构设计和能量收集电路设计两方面出发,介绍了一种基于悬臂梁式压电双晶片的能量收集器设计.结构设计上,选用矩形结构悬臂梁式基板和矩形结构压电片的组合方式.压电双晶片采用并联连接,共同构成了压电能量收集器结构.从电路设计上,通过四倍增压电路对压电陶瓷片上因振动产生的交流电压进行整流、滤波和升压,并采用芯片Max1811高集成度电池充电器对所得直流电进行存储,获得了可为发光二极管供电的直流电压.电路分析与实验测试表明,设计的能量收集器能够实现对外界振动能量的收集.【期刊名称】《通信电源技术》【年(卷),期】2018(035)006【总页数】3页(P90-92)【关键词】压电陶瓷;悬臂梁;能量收集;Max1811【作者】张倩昀;梁国凯;梁朝芳【作者单位】西安航空学院电子工程学院,陕西西安 710077;西安航空学院电子工程学院,陕西西安 710077;中航工业西安飞机工业有限责任公司,陕西西安710089【正文语种】中文0 引言社会发展应以能源应用为前提。

生活中，振动无处不在。

一方面周围环境振动会在结构上造成损伤，缩短结构使用寿命；另一方面，振动会对环境带来噪声污染。

如果可以将这些振动能量收集起来转换为电能并采集利用，不但能够减少结构损伤，降低结构推护成本，而且可以降低噪声。

因此，对振动能量的采集是人们需要关注和解决的问题。

振动能量的采集通常有三种方式：电磁式[1-3]、静电式[4-5]和压电式[6-10]。

电磁式技术较成熟，能量转换效率较高，但其机构复杂、体积较大。

静电式可方便与微机电系统结合，但产生的电能很难实现器件商业化。

压电式原理是基于压电效应，即压电材料在外力作用下产生电荷。

近年来，压电能量采集技术受到了广泛关注。

作为长期甚至无限生命周期的自主供电系统，压电能量收集器在一些不便更换电池或者希望避免电池更换场合具有广阔的发展空间。

基于压电悬臂梁的振动能量获取装置的建模及数值仿真周璇;王海;李晗;王战;夏小品【摘要】振动能是自然环境中广泛存在的一种能量，振动式发电机可将其提取并转换为可直接利用的电能。

设计了一种用于收集环境中低频振动能的三质量块压电悬臂梁装置，利用压电薄膜的正压电效应将机械能转化成电能。

建立悬臂梁的数学模型，用ANSYS软件建立悬臂梁的仿真模型，然后对其进行模态分析，耦合分析，谐响应分析并绘制出压电振子的频率-电压曲线图。

研究结果表明该悬臂梁产生的电压可以满足无线传感器节点的使用要求，且优于单质量块悬臂梁。

% Vibration generator can extract and convert vibration energy that exists in the natural environment into electric power. A design proposal of a piezoelectric cantilever beam with three mass blocks makes use of direct piezoelectric effect to extract low-frequency vibration energy. This paper is aimed at establishing the mathematical model of the cantilever beam, using ANSYS software to establish the simulation model of the beam, and then using the modal analysis, coupling analysis, harmonic response analysis and it maps out the curve of frequency-voltage. The results shows that Piezoelectric Cantilever Beam with three mass blocks is superior to only one mass block,and the voltage generated from the cantilever beam can satisfy wireless sensor nodes.【期刊名称】《巢湖学院学报》【年(卷),期】2013(000)003【总页数】5页(P98-102)【关键词】振动能;压电悬臂梁;三质量块;ANSYS【作者】周璇;王海;李晗;王战;夏小品【作者单位】安徽工程大学机械与汽车工程学院，安徽芜湖 241000;安徽工程大学机械与汽车工程学院，安徽芜湖 241000;安徽工程大学机械与汽车工程学院，安徽芜湖 241000;安徽工程大学机械与汽车工程学院，安徽芜湖 241000;安徽工程大学机械与汽车工程学院，安徽芜湖 241000【正文语种】中文【中图分类】TK-91 引言现今人们对环境问题格外重视，无线传感器网络的研究正受到越来越多的关注，研究内容分布也非常广泛，涵盖了从理论到实现、从节能到安全等多个方面。

压电悬臂梁机电耦合系统的建模及动力学特性分析张梦倩;宋汉文【摘要】基于压电能量采集器中最为经典的压电悬臂梁模型展开研究.考虑悬臂梁的阵型信息和轴向应变分布,这导致与梁耦合的压电片的电边界条件复杂.分别基于均匀电场分布和均匀电位移分布的两种不同电边界条件,深入探讨压电悬臂梁的机电耦合原理和耦合特性,并建立机电耦合系统的数学模型;在传统一阶能量采集电路的基础上,在电路中加入电感,建立二阶电路,并改进数学模型;对于加入电感后的模型,2阶电路可以与其耦合的n自由度机械系统共同构成一个n+1自由度系统,从而可对耦合系统进行系统整体的仿真分析,同时深入研究不同电路元件对系统采集效率的影响,发现电感的加入可极大提高系统能量采集效率.%Cantilever beams with piezoelectric ceramic layers have been frequently used as piezoelectric vibration energy harvesters. The most classical piezoelectric cantilever model d31 of the piezoelectric energy harvesters (PEH) is studied in this paper. The exact analytical solution of the cantilever PEH is presented based on Euler-Bernoulli beam assumption. The influence of dynamic mode shape and strain distribution of the cantilever PEH is considered. The mathematical model of the cantilever PEH is established and the electro-mechanical coupling principle and characteristics are deeply analyzed with the two boundary conditions of uniformly distributed electric field and uniformly distributed electric displacement respectively. Based on the traditional PEH of order one, an inductance is added to the circuit to establish a second order circuit and improve the mathematical model. In the improved model, a new system with n+1 DOFs is obtained bycombining the second order circuit with the n-DOF oscillatory system so that the global simulation of the coupled system can be realized. In addition, the influence of different elements of the circuit is analyzed. It is found that the added inductance can greatly increase the energy-harvesting efficiency of the PEH.【期刊名称】《噪声与振动控制》【年(卷),期】2017(037)002【总页数】7页(P7-12,22)【关键词】振动与波;压电悬臂梁;机电耦合模型;系统仿真;功率优化【作者】张梦倩;宋汉文【作者单位】同济大学航空航天与力学学院,上海 200092;同济大学航空航天与力学学院,上海 200092【正文语种】中文【中图分类】O32随着微电子（MEMS）技术的飞速发展，新型微能量采集器得到高度重视。

压电悬臂梁发电装置的建模与仿真分析一、本文概述随着能源危机和环境问题的日益突出，绿色、可再生的能源技术成为了全球研究的热点。

其中，压电发电技术作为一种新型的无源能量收集方式，因其能够将环境中的机械能转化为电能，受到了广泛关注。

压电悬臂梁作为压电发电装置的核心部分，其发电性能直接影响到整个装置的能量转换效率。

因此，对压电悬臂梁发电装置的建模与仿真分析，不仅有助于深入理解其发电机制，而且可以为装置的优化设计提供理论依据。

本文旨在探讨压电悬臂梁发电装置的建模与仿真分析方法。

我们将对压电悬臂梁的基本工作原理进行概述，包括压电效应的基本原理和压电悬臂梁的工作机制。

我们将详细介绍压电悬臂梁发电装置的建模过程，包括力学模型、电学模型以及机电耦合模型的建立。

在此基础上，我们将利用仿真软件对模型进行仿真分析，研究不同参数对压电悬臂梁发电性能的影响。

我们将总结分析结果，提出优化压电悬臂梁发电装置的建议和展望未来的研究方向。

通过本文的研究，我们期望能够为压电发电技术的发展提供有益的理论支持和实践指导，推动其在能源收集领域的广泛应用。

二、压电悬臂梁发电装置理论基础压电悬臂梁发电装置的核心理论基础主要源于压电效应。

压电效应，即某些晶体在受到机械力作用时，其内部正负电荷中心会发生相对位移，从而在晶体表面产生电势差的现象。

这种效应允许机械能直接转化为电能，为悬臂梁发电装置提供了理论基础。

在压电悬臂梁发电装置中，悬臂梁作为主要的能量转换元件，当受到外部激励（如风、振动等）作用时，梁体会发生形变，进而产生压电效应。

此时，悬臂梁的表面会产生电荷分布，形成电势差，从而输出电能。

为了深入理解和优化压电悬臂梁发电装置的性能，需要对其进行数学建模。

常见的建模方法包括集中参数模型和分布参数模型。

集中参数模型主要关注悬臂梁的整体动态特性和压电效应，适用于低频、大振幅的情况。

而分布参数模型则考虑悬臂梁的详细结构和振动模态，适用于高频、小振幅的情况。

悬臂梁双晶压电片不同连接方式发电性能张智娟;倪超;侯立群【摘要】为了更加有效提高双压电振动能量采集器的发电效率,以双晶压电片为研究对象,设计了一种可收集电动机机械振动能量的双压电振动能量采集器.探究了电动机在不同转速情况下,双晶压电片不同连接方式对采集器的发电特性、内阻、输出电压和输出功率的影响.通过实验结果与理论计算值进行对比,可见,两个电极并联的双晶压电片并联输出功率最大可达314.69μW,为最优的双晶压电片连接方式.【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2018(041)004【总页数】5页(P893-897)【关键词】双晶压电片;压电振动能量采集器;连接方式;振动能量【作者】张智娟;倪超;侯立群【作者单位】华北电力大学电气与电子工程学院,河北保定071003;华北电力大学电气与电子工程学院,河北保定071003;华北电力大学控制与计算机工程学院,河北保定071003【正文语种】中文【中图分类】TM619压电发电是通过利用压电陶瓷的正压电效应将环境中振动的机械能量转换成可供无线传感器网络节点等低能耗电子器件利用的电能。

因压电发电装置结构简单、能有效降低固有频率、无需启动电源、清洁环保、稳定性好和实现机构的微小化等诸多优点,已经成为各国研究者研究的重点[1]。

压电发电装置中压电振子支撑方式有:悬臂支撑、周边固定支撑、自由边界支撑和简支支撑等多种方式,针对不同的环境条件采用不同的支撑方式,各有其优缺点[2]。

其中,悬臂支撑方式为一端固定在振动源上,另一端悬空,其压电悬臂梁晶片有单晶压电片和双晶压电片两种结构,且不同结构有不同的连接方式[3]。

为了增大压电悬臂梁晶片振幅,获得较大的内应变和应力变化,一般在悬臂梁的自由端加一个适量的质量块,这种方法不仅可以增大双压电振动能量采集器输出电压,还可降低压电悬臂梁晶片的谐振频率[4]。

振动在环境中普遍存在,但环境中振动能量较小且不稳定,从而压电发电装置将采集振动能量转化成的电能较小,且为交流电,机械振动产生的电能往往很难长久持续满足低功耗电子系统的需求[5]。

振　动　与　冲　击第28卷第7期JOURNAL OF V I B RATI O N AND SHOCKVol .28No .72009　悬臂梁压电发电装置的实验研究基金项目:黑龙江省自然科学基金(E200614)和哈尔滨工业大学科研创新基金资助(H I T N.SR I E .2008.50)收稿日期:2008-06-30　修改稿收到日期:2008-08-29第一作者袁江波男,博士生,1983年生袁江波,谢　涛,陈维山,肖　娜(哈尔滨工业大学机电工程学院,哈尔滨　150001) 摘　要:为了进行压电陶瓷材料发电性能测试与研究,研制了一套悬臂梁压电振子发电系统。

设计了悬臂梁压电振子,并对压电振子进行了有限元分析和电导测试。

在此基础上,设计了能量存储电路,并在低频下对悬臂梁压电振子发电性能进行了实验研究。

研究结果表明,当悬臂梁压电振子处于谐振频率状态下振动时,输出电压和功率达到最大。

输出电压随着负载的增大而增大,输出功率并不随着负载的增大而增大;压电振子存在—个最佳阻抗,当负载与最佳阻抗匹配时,此时压电振子的能量转化效率最高且输出功率最大。

利用本实验系统进行压电发电实验测试,当负载为50kΩ时,压电振子输出电压为7V;当负载电阻为15kΩ时,此时的输出功率最大可达到1.4mW ,产生的功率可以满足无线传感器等低耗能产品的供能需求。

关键词:压电悬臂梁;压电发电;有限元分析中图分类号:T N3 文献标识码:A 随着集成电路、ME MS 和便携式电子设备的应用日益广泛,以化学电池为其主要供能方式存在诸多弊端,如体积大、质量大、供能寿命有限,需要定期更换,以及由此所带来的材料浪费,环境污染等问题不容忽视,尤其对于目前发展日益迅速的无线网络和嵌入式系统来说时,电池供电的这种缺陷更明显。

因此,如何为这些低耗能的电子产品供能,已成为迫切需要解决的问题。

根据能量转换机理的不同,获取电能的有效方法可利用电磁式[1]、静电式[2]和压电式[3-7]等3类,与其它的发电原理相比,压电发电具有结构简单、不发热、无电磁干扰、无污染和易于实现机构的微小化、集成化等诸多优点,且能满足此类低耗能产品的供能需求而成为目前研究的热点[6]。

压电悬臂梁双晶片串联结构的修正模型研究压电悬臂梁双晶片串联结构的修正模型研究是一项研究，对晶片串联结构进行了详细地分析。

它是基于压电悬臂梁结构的动态分析，利用两个晶片相互串联组成的双晶片系统来改善压电悬臂梁结构的性能。

压电悬臂梁是一种具有压电效应的悬臂梁结构，它利用压电效应生成电势差，以调节结构的形变和动态响应。

然而，单一的压电悬臂梁结构存在着温度稳定性和幅度等方面的问题。

因此，将多个晶片串联起来作为双晶片系统，可以改善上述问题，并提高结构的阻尼性能。

压电悬臂梁双晶片串联结构的修正模型研究旨在建立一套可用于分析双晶片系统的数学模型，以便于理解结构的各种运动特性，提出改进结构性能的有效方法。

在研究中，通过建立压电悬臂梁双晶片串联结构的修正模型，分析双晶片系统的动态响应特性、阻尼特性以及温度稳定性特性。

首先，根据双晶片系统的结构结构，建立基于双晶片压电悬臂梁结构的动力学模型，包括悬臂梁体系的弹性力学模型和压电效应模型。

其次，研究压电悬臂梁双晶片串联结构的阻尼特性，具体分析了双晶片结构的振动行为，探讨了不同参数对双晶片结构的影响。

最后，采用基于MATLAB的仿真研究，研究双晶片结构的温度稳定性，得到双晶片结构的最佳参数设置，以及温度稳定性的优化方法。

压电悬臂梁双晶片串联结构的修正模型研究，为双晶片系统的实际应用提供了参考和思路，有助于改善压电悬臂梁结构的性能，提高结构的动态响应性能和温度稳定性。

同时，研究也为研究者提供了一个全新的设计原理，有助于改进结构的性能，为结构的实际应用提供基础。

压电悬臂梁双晶片串联结构的修正模型研究，为压电悬臂梁结构的动态响应、阻尼性能和温度稳定性提供了一种有效的解决方案。

它为压电悬臂梁结构的实际应用提供了有效的改进措施，使结构性能得到明显改善，有助于提高结构的动态响应性能、阻尼性能和温度稳定性。

悬臂梁式压电发电装置的有限元分析陈伟;刘岩;蔺吉顺;曾平【摘要】基于压电发电原理,对悬臂梁式压电振子进行有限元分析并与实测的试验数据进行比较.研究表明:在相同静载荷下,压电振子的输出电压随长度的增加而增大,随宽度、厚度的增加而减小,串联双晶片压电振子的输出电压较高,约为单晶片和并联双晶片压电振子输出电压的两倍.在设计压电发电装置时,应根据外界环境,选择适当的压电振子.【期刊名称】《机械管理开发》【年(卷),期】2017(032)003【总页数】3页(P13-15)【关键词】压电陶瓷;压电振子;ANSYS;悬臂梁【作者】陈伟;刘岩;蔺吉顺;曾平【作者单位】康迪泰克大洋管件(长春)有限公司,吉林长春130011;科世达(长春)汽车电器有限公司,吉林长春130033;内蒙古民族大学机械工程学院,内蒙古通辽028000;吉林大学机械科学与工程学院,吉林长春130025【正文语种】中文【中图分类】TN384随着电子技术的不断发展，便携式微功率电器、监控系统以及无线传感器得到广泛应用，进而促使对可靠、廉价、不间断电源的需求也日益增强，压电发电装置由于具备易加工、无电磁干扰、不易发热等优点，逐渐引起科研工作者的重视[1-4]。

为明确压电振子几何参数对压电发电装置性能的影响，本文针对不同尺寸的悬臂梁式压电振子进行了分析和测试。

压电振子由压电陶瓷晶片和基板黏结而成，本文在对悬臂梁式压电振子的分析过程中，只考虑压电陶瓷晶片和基板，不考虑其中间黏结剂对发电性能的影响，其结构如图1所示，压电陶瓷晶片的长度为L、厚度为tp，基板的长度略长于压电陶瓷晶片的长度、厚度为tcu，压电振子的宽度为b，输出电压V为[5]：式（1）中：g31为压电电压常数；Ep为压电晶片的弹性模量；F为外力；u为位移；A为常数如图2所示，测试过程中所使用的仪器有：功率放大器HEAS-5，高能激振器HEV-50， DS-5000数字存储示波器。

测试过程中，功率放大器HEAS-5输出振幅和频率可调的正弦信号，高能激振器HEV-50接收信号后为压电发电装置提供激励，压电发电装置的开路电压通过DS-5000数字存储示波器直接显示，最后通过配套软件将显示数据同步到电脑并存储。

机电耦合系数和压电系数-概述说明以及解释1. 引言1.1 概述概述机电耦合是指机械系统与电气/电子系统之间相互作用、相互影响的现象。

机电耦合系统广泛应用于各个领域，包括航空航天、汽车工程、机械工程等等。

在机电耦合系统中，机械能转化为电能，或是电能转化为机械能，实现了能量的转换和传输。

压电效应是一种基于某些材料（压电材料）在电场的作用下产生机械变形的现象。

压电材料能够通过电荷的极化改变其形状和尺寸，同时也可以通过施加机械压力来改变电荷分布。

这种相互转换的特性使得压电材料在传感器、执行器、能量转换器等方面有着广泛的应用。

本文将主要讨论机电耦合系数和压电系数的定义、影响因素、应用领域、测量方法和应用场景等方面的内容。

通过对这两个关键概念的深入探讨，旨在增进对机电耦合系统和压电效应的理解，并为相关领域的研究提供参考和指导。

1.2 文章结构文章结构部分是文章大纲中的第1.2节。

本节的目的是介绍整篇文章的结构安排。

文章的结构部分应包括以下内容：本文将按照以下结构进行论述：第1节为引言部分，主要介绍了机电耦合系数和压电系数的相关背景和研究现状，同时描述了本文的目的和意义。

第2节为正文部分，主要分为两个部分：机电耦合系数和压电系数。

其中，2.1节将从定义、影响因素和应用领域三个方面介绍机电耦合系数；2.2 节将从定义、测量方法和应用场景三个方面介绍压电系数。

第3节为结论部分，主要对机电耦合系数和压电系数进行总结。

其中，3.1节总结了机电耦合系数的重要性和研究成果；3.2节总结了压电系数的研究进展和应用领域；3.3节探讨了未来研究的方向和挑战。

通过以上结构的安排，本文将全面介绍和论述机电耦合系数和压电系数的概念、特性、测量方法和应用领域，为读者提供了一个全面的了解和研究的基础。

同时，通过对结论部分的总结和未来研究方向的探讨，也为相关领域的研究者提供了一些有价值的思考和参考。

1.3 目的本文的目的是介绍和探讨机电耦合系数和压电系数在工程领域中的重要性和应用。

双晶压电悬臂梁俘能器的建模与仿真王新掌;郝少帅;许孝卓;李红磊【摘要】To solve the optimization problem of bimorph cantilever piezoelectric energy harvester,the Roundy mathematical model is modified,where difference between the deflection at the center of the proof mass and that at the end of the cantilever is considered.By using the finite element software of ANSYS,modal analysis and harmonic response analysis of energy harvester model are carried out.The results show that modified model is more accurate than Roundy model in predicting the first order natural frequency and output voltage of the harvester when the length of mass block grows.Influence law of mass block shape and load on energy harvester output characteristics is studied,it is found that when the weight of mass block is constant,mass block with a higher center of mass will make the energy harvester have a better generating capacity,and the result has reference significance for structural optimization of the piezoelectric energy harvester.%针对双晶片悬臂梁式压电俘能器的优化问题,考虑悬臂梁末端位移与质量块质心位移的差异,对Roundy数学模型进行了修正.通过ANSYS有限元软件对俘能器建模并进行模态分析和谐响应分析,当质量块长度逐渐变大时,修正后数学模型对俘能器一阶固有频率和输出电压有更好的预测精度.研究了质量块形状和负载对俘能器输出特性的影响规律,发现在质量块质量不变时,提高质量块的质心高度能提高俘能器的发电能力,对俘能器的结构优化具有借鉴意义.【期刊名称】《传感器与微系统》【年(卷),期】2017(036)004【总页数】4页(P15-18)【关键词】悬臂梁;压电俘能器;ANSYS;谐响应分析【作者】王新掌;郝少帅;许孝卓;李红磊【作者单位】河南理工大学电气工程与自动化学院,河南焦作454000;河南理工大学电气工程与自动化学院,河南焦作454000;河南理工大学电气工程与自动化学院,河南焦作454000;河南理工大学电气工程与自动化学院,河南焦作454000【正文语种】中文【中图分类】TM282压电振动俘能器是利用压电陶瓷的正压电效应来实现机械能向电能转换，与其它形式如电磁式、静电式[1]振动俘能器相比，具有结构简单、体积小、成本低及能量密度大等优点，在军事、医疗和建筑等领域已开展了相关的研究[2～4]。

双晶压电悬臂梁电荷输出特性实验研究刘阳;罗奇;孙科;陶孟伦;陈定方【摘要】通过研究压电材料的压电效应与压电方程组，得到正压电效应下的压电能量采集相关知识，并分析双晶压电悬臂梁的结构与特性，结合实验与仿真，得出并联型双晶压电悬臂梁的相关输出特性。

%Based on the research of the piezoelectric effect and piezoelectric equations,the paper established the knowledge of piezoelectric energy harvesting,and analyzed the structure and characteristics of bimorph cantilever generators.Through the experiment and simulation,it then concluded the output characteristics of the piezoelectric cantilever beam.【期刊名称】《湖北工业大学学报》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】4页(P66-68,103)【关键词】压电效应;振动实验;ANSYS;能量收集;悬臂梁【作者】刘阳;罗奇;孙科;陶孟伦;陈定方【作者单位】武汉理工大学智能制造与控制研究所，湖北武汉 430063;武汉理工大学智能制造与控制研究所，湖北武汉 430063;武汉理工大学智能制造与控制研究所，湖北武汉 430063;武汉理工大学智能制造与控制研究所，湖北武汉430063;武汉理工大学智能制造与控制研究所，湖北武汉 430063【正文语种】中文【中图分类】TM282压电陶瓷是一种能够将机械能与电能相互转换的功能陶瓷材料，具有制作成本和难度低、换能效率高［1］等优点。

目前的压电能量收集器在频率匹配、装置结构等技术方面并未完全成熟，本文通过理论建模与仿真分析，设计一种基于PZT－5H压电陶瓷材料的并联式双晶压电悬臂梁，探讨该结构下的电荷输出特性，同时结合实验总结其规律。