壓電換能器設(shè)計(jì)與能量獲取特性研究

4.2 質(zhì)量塊質(zhì)量影響分析

對(duì)質(zhì)量塊的質(zhì)量做以改變，分析其影響：

圖3-4所示為諧振頻率隨質(zhì)量的增加而降低，可以看出質(zhì)量的變化對(duì)短梁的影響較為明顯，從圖中可以看出質(zhì)量從0增加到0.01kg過(guò)程中其諧振頻率迅速降低，可見(jiàn)，對(duì)處于自然振動(dòng)環(huán)境中為結(jié)構(gòu)裝置而言，在梁的自由端保留質(zhì)量塊，是一種滿足其低頻諧振要求的簡(jiǎn)單可行的方案。

如圖3-5、圖3-6所示為質(zhì)量塊質(zhì)量的變化引起輸出電壓與功率的變化。圖中懸臂梁的長(zhǎng)度分別為0.05m,0.1m,0.15m時(shí)的情況，當(dāng)懸臂梁長(zhǎng)度越長(zhǎng)時(shí)，越容易斷裂。所以當(dāng)懸臂梁長(zhǎng)度為0.15m時(shí)，懸臂梁斷裂，所以圖中的差別很大。

4.3 PZT層厚度的影響

分析PZT層厚度對(duì)基頻諧振頻率、輸出電壓以及功率的影響，可得出圖3-7、3-8、3-9.

如圖3-7,隨著PZT層的厚度的增加壓電懸臂梁的諧振頻率都將增加，當(dāng)不銹鋼的厚度增加時(shí)，壓電懸臂梁的諧振頻率也將增加。如圖3-8,圖3-9所示分別表示輸出電壓和功率隨PZT厚度的增加而增大。

這是由于PZT厚度的增加使振動(dòng)過(guò)程中電荷積聚增多的緣故，雖然越薄的結(jié)構(gòu)越能滿足低頻諧振的要求，但其輸出電壓和功率都會(huì)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(zhuǎn)換功率有利于驅(qū)動(dòng)較大的負(fù)載，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可以盡可能的增加PZT層，以獲取較高的能量。

5.結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種壓電換能器模型并分析得到了壓電懸臂梁能量的獲取特性隨幾何因子的變化規(guī)律。影響壓電懸臂梁能量采集裝置諧振頻率、輸出電壓、功率的因素很多，除了以上分析的質(zhì)量塊質(zhì)量、懸臂梁長(zhǎng)度、PZT層厚度等主要幾何因素外，構(gòu)成壓電懸臂梁和質(zhì)量塊的材料特性，壓電陶瓷的沉淀工藝等都會(huì)對(duì)此產(chǎn)生一定的影響。因此當(dāng)材料選取、加工工藝固定時(shí)，以上討論的幾何因素便是影響能量獲取的主要因素。一般來(lái)說(shuō)，降低結(jié)構(gòu)的諧振頻率主要通過(guò)權(quán)衡質(zhì)量塊的尺寸和壓電懸臂梁長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)，而為了獲得可用的轉(zhuǎn)換質(zhì)量，可適當(dāng)增加PZT層的厚度，而壓電懸臂梁的寬度，一邊以長(zhǎng)度的1/7~1/5左右為宜。