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近年來，無論是在軍事領(lǐng)域或在民用領(lǐng)域，無線電子器件均有迅猛發(fā)展。如何向微型化的微電子器件無線供能已成為當前研究的一個熱點問題。對于向這類能耗小的微電子器件供能，一個有效的方法就是直接從器件的工作環(huán)境中俘獲能量，而壓電材料正是制造這種器件的最優(yōu)選擇。由壓電材料制造成的壓電發(fā)電裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，不發(fā)熱，無電磁干擾，無污染，方便加工制作和實現(xiàn)機構(gòu)的微小化、集成化等優(yōu)點而引起廣泛的關(guān)注，這類能無線俘能的壓電發(fā)電裝置稱為壓電俘能器。對cymbal形俘能器進行深入的研究，并進行實驗，對于PZT直徑為處9 mm，厚度為1 mm，在7.8 N循環(huán)外載下，俘獲振動能39 MW。鼓形俘能器相對于cymbal俘能器結(jié)構(gòu)更簡單，且具有更高的機電藕合系數(shù)，俘能性能更好。本研究將對鼓形俘能器進行有限元分析仿真研究，首先建立了鼓形俘能器的有限元模型，再運用有限元仿真軟件對其進行了仿真分析，最后通過對仿真數(shù)據(jù)的分析得出了鼓形俘能器結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對其性能的影響，并在此基礎(chǔ)上進行了俘能實驗測試。
俘能器受到外載荷作用或振動時，由于壓電元件的正壓電效應(yīng)，在壓電元件表面產(chǎn)生感應(yīng)電壓。在圖的結(jié)構(gòu)中施加載荷進行仿真分析，俘能器輸出電壓與施加力呈線性關(guān)系，隨著外載荷的增大，輸出電壓逐漸增大。
為了更好地指導(dǎo)實際的工藝加工，使俘能器性能達到最優(yōu)。對俘能器結(jié)構(gòu)參數(shù)變化及對感應(yīng)電壓、諧振頻率的影響進行有限元模擬，在PZT中心處施加z向10 N的外載，被青銅厚度為0.2 mm。
感應(yīng)電壓隨著鋼環(huán)內(nèi)徑的增大而增大，隨著鋼環(huán)厚度減小，感應(yīng)電壓略有增大，相對于鋼環(huán)厚度的變化，感應(yīng)電壓對鋼環(huán)內(nèi)徑的變化更顯著。隨著PZT直徑的增大，感應(yīng)電壓減小，對于同一厚度的PZT，感應(yīng)電壓間的差異先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定，感應(yīng)電壓隨著PZT厚度的增大而增大，且感應(yīng)電壓間的差異先減小，最后基本不變。
俘能器的諧振頻率隨著鋼環(huán)內(nèi)徑增大而減小，對于同一厚度鋼環(huán)，振動頻率間的差異先減小后基本不變；隨著鋼環(huán)厚度的增大，諧振頻率逐漸增大，且諧振頻率對鋼環(huán)內(nèi)徑的變化更敏感。圖為PZT直徑、厚度與俘能器諧振頻率的關(guān)系曲線，隨著PZT直徑的增大，俘能器的諧振頻率逐漸增大，且頻率間的差異基本不變;諧振頻率隨著PZT厚度增大而增大，對于同一直徑的PZT，隨PZT厚度變化諧振頻率間的差異先增大后趨于穩(wěn)定。在自然界中廣泛存在低頻振動能，為了使俘能器俘獲更多的自然界振動能，應(yīng)盡量降低俘能器的諧振頻率，使俘能器工作在低頻段。所以，為了提高俘能器的俘能性能，輸出更大的感應(yīng)電壓，在符合加工工藝要求和其他特性的前提下，應(yīng)盡量增大俘能器鋼環(huán)內(nèi)徑，限制PZT的直徑和厚度，而鋼環(huán)的厚度對其性能影響較小。
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