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隨著大規(guī)模低功耗集成電路的設(shè)計(jì)改進(jìn)，使微型傳感器及低功耗的數(shù)字信號(hào)處理器的功耗控制在1mW以下得以實(shí)現(xiàn)。因此，收集環(huán)境中的能量或人力發(fā)電為微型傳感器提供電能已成為自供能技術(shù)的必然趨勢(shì)。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換機(jī)理的不同，振動(dòng)-電能的轉(zhuǎn)換方法可分為電磁式、靜電式和壓電式。其中，壓電發(fā)電是利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換，壓電發(fā)電裝置通過(guò)特殊的壓電材料將環(huán)境中振動(dòng)的能量收集起來(lái)，并將其轉(zhuǎn)換成可替代電池為微電子產(chǎn)品供電的電能。壓電發(fā)電裝置具有較高的能量密度，無(wú)需外部供電，無(wú)電磁干擾，壽命幾乎無(wú)限及易實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的微小化和集成化等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到了人們更多的關(guān)注。
王光慶提出了一種利用壓電疊堆進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的壓電發(fā)電裝置，并建立了該壓電發(fā)電裝置的機(jī)電耦合分析模型，基于該模型研究了壓電疊堆結(jié)構(gòu)尺寸、材料參數(shù)、外力激振頻率和幅值、系統(tǒng)慣性質(zhì)量及彈簧剛度等對(duì)裝置發(fā)電性能的影響規(guī)律。華盛頓州立大學(xué)研制出一種高能量密度微動(dòng)力源-P3微熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，其中的關(guān)鍵部分是薄膜式壓電發(fā)電機(jī)。該裝置基于動(dòng)態(tài)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)原理設(shè)計(jì)研制，微熱力發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)外部熱源驅(qū)動(dòng)，將熱能從外部導(dǎo)入到發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，然后，通過(guò)二相工作溶液的膨脹和收縮，進(jìn)而使熱能被轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，最后，機(jī)械能通過(guò)壓電薄膜發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能。袁江波等基于單懸臂梁壓電振子，對(duì)環(huán)境振動(dòng)頻率敏感且頻帶有限，在諧振頻率與環(huán)境振動(dòng)頻率不匹配的情況下，會(huì)導(dǎo)致壓電振子俘能效率低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種復(fù)合型懸臂梁壓電振子并建立了其振動(dòng)模型，還采用了激光測(cè)振儀對(duì)復(fù)合型懸臂梁壓電振子進(jìn)行掃頻測(cè)試。
杭州那泰有限元分析公司針對(duì)目前的懸臂梁壓電發(fā)電裝置的局限性，提出了一種工形壓電發(fā)電裝置，并基于ANSYS有限元軟件建立了工形構(gòu)件有限元分析模型，并對(duì)工形構(gòu)件進(jìn)行了靜力、模態(tài)分析，壓電耦合分析及參數(shù)化研究，可用于預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型、發(fā)電性能并提供最優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
工形壓電發(fā)電裝置采用工形鈑金結(jié)構(gòu)及底座、質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，包括底座、工形鈑金、質(zhì)量塊和壓電片，工形鈑金的每個(gè)轉(zhuǎn)角折彎處粘有壓電陶瓷片。工形鈑金的底端與底座焊接在一起，頂端則通過(guò)螺栓與質(zhì)量塊相連。其中，質(zhì)量塊邊上兩孔剛好穿過(guò)底座兩邊的2個(gè)立柱，質(zhì)量塊可在立柱上無(wú)摩擦滑動(dòng)。
對(duì)于結(jié)構(gòu)示意圖所示的工形壓電發(fā)電裝置，當(dāng)裝置的底座固定且與工形鈑金連接的質(zhì)量塊上、下振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊的質(zhì)量和振動(dòng)慣性力對(duì)工形鈑金施加豎直方向的壓力，從而使工形鈑金發(fā)生形變，帶動(dòng)粘貼在工形鈑金折彎處的壓電片變形，進(jìn)而壓電發(fā)電。該結(jié)構(gòu)改進(jìn)了傳統(tǒng)的懸臂梁壓電振子僅只有在固定端處應(yīng)變較大，其他地方應(yīng)變較小，難以粘貼壓電片發(fā)電的缺陷。將一塊長(zhǎng)板進(jìn)行多次折彎，形成一個(gè)工形鈑金壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)，這樣每個(gè)折彎的地方就相當(dāng)于原來(lái)壓電振子的固定端，會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)變，從而可在每個(gè)折彎轉(zhuǎn)角處粘貼壓電片，使單位體積內(nèi)發(fā)電量大，更高效地收集環(huán)境中的振動(dòng)能量，與傳統(tǒng)懸臂梁壓電發(fā)電裝置相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)和創(chuàng)新。
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