基于悬臂梁结构的压电能量收集器的机电转化效率分析 - 湖北大学学报.pdf

第37卷第5期 湖北大学学报（自然科学版） Vol.37 No.5 2015年9月 JournalofHubeiUniversity（NaturalScience） Sep.，2015 文章编号：1000-2375（2015）05-0451-05 基于悬臂梁结构的压电能量收集器的 机电转化效率分析 方超 ，胡永明 ，任博 ，梁柱 ，许春东 ，顾豪爽 ，罗豪甦1 1 2 2 2 1 2 （1.湖北大学物理与电子科学学院，湖北武汉430062；2.中国科学院上海硅酸盐研究所，上海201800） 摘要：分析钢球和压电悬臂梁之间的碰撞过程，通过压电振子等效电路模型计算与实验数据分析，研究基于PMNT与 PZT两种不同材料的悬臂梁压电能量收集器的输入机械冲击能量和输出电能之间的关系，分析各自机电转换效率受机电 耦合系数的影响规律，采用钢球下落撞击悬臂梁结构压电振子的方式实现机械能到电能的转换.① 关键词：能量收集；压电振子；悬臂梁；转换效率 中图分类号：TB34 文献标志码：A DOI:10.3969/j.issn.1000-2375.2015.05.010 Electromechanicalconversionefficiencyofpiezoelectricenergyharvester basedoncantileverstructure 1 1 2 2 2 1 2 FANGChao ，HUYongming ，RENBo ，LIANGZhu ，XUChundong ，GUHaoshuang ，LUOHaosu (1.SchoolofPhysicsElectronicScience，HubeiUniversity，Wuhan430062，China； 2.ShanghaiInstituteofCeramics，ChineseAcademyofSciences，Shanghai201800，China) Abstract:Theimpactprocessofthesteelballandthecantileverstructurewasanalyzed.Therelationship betweentheoutputelectricalenergyandinputmechanicalenergybasedoncantileverpiezoelectricenergy harvesteroftwovariousmaterialsofPMNTandPZTwasinvestigatedbypiezoelectricoscillatorequivalent circuitmodelcalculationsandexperimentaldata.Theinfluenceofcouplingcoefficientonelectromechanical conversion efficiency was also analyzed. The conversion of mechanical energy into electrical energy was realizedbyasteelballfree-fallingandimpactingthecantileverstructure. Keywords:energyharvest；piezoelectricvibrator；structureofcantileverbeam；conversionefficiency 0 引言 近年来，随着微细机械加工技术、微机械电子（MEMS）技术以及无线通讯技术的不断发展，无线传感 ［1-3］ 器以及各种可植入微型传感器快速进入到集成化、微型化和低功耗的时代 .这些低功耗器件采用传统 化学电池供电，由于体积大、寿命短、