几类压电悬臂梁结构的实验研究

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压电材料的形变过程伴随着电能的产生。一直以来,广大学者研究使用压电材料制作压电能源采集器以实现对微耗能电器的供电。  本文通过实验,采用振动台模拟环境中的振动,实现对压电能源采集器的基础激励。研究了不同压电悬臂梁结构在简谐激励下的振动和发电情况。  本文使用激振台模拟振动环境,对自由端长度在25mm到50mm之间的几类压电悬臂梁结构进行定频激励,使用激光测振仪测试他们的振动信号,采用示波器测试电压信号。通过以上方法,研究了压电悬臂梁的振动与结构尺寸和激励之间的关系,发电与结构尺寸和激励之间的关系。对比了不同结构的压电悬臂梁结构的发电能力。论文的研究内容主要包括以下几个方面:  (1)设计压电悬臂梁单晶片。理论计算得到压电悬臂梁的一阶固有频率与自身长度和压电层厚度之间的关系。使用3-D Polytec测振系统对压电悬臂梁进行模态实验,测试了机电耦合效应对悬臂梁一阶模态的影响。研究了在小变形情况下,压电悬臂梁的一阶模态发电与悬臂梁尺寸、外接电阻之间的关系。同时研究了大激励大变形下,压电悬臂梁的非线性动力学行为。  (2)末端质量块可以降低压电悬臂梁的整体刚度。通过理论计算,得到压电悬臂梁的一阶固有频率与质量块重量之间的关系。设计了末端质量块。研究了小变形情况下,质量块的重量、悬臂梁结构尺寸与前两阶模态发电之间的关系。对比发现,末端质量块有增大压电悬臂梁发电的效果。  (3)使用ANSYS对L型压电悬臂梁进行了模态分析。设计了L型压电悬臂梁结构。对L型压电悬臂梁的前三阶振动进行了振动响应实验,研究了L型压电悬臂梁的发电与自身结构尺寸、激励之间的关系。并且将L型压电梁与带有末端质量块的压电梁进行了发电能力比较。得到L型压电悬臂梁在振动中,第一阶模态和第三阶模态均发挥重要的作用,具有改善扩宽压电悬臂梁发电频宽的效果。  (4)在压电悬臂梁中引入磁力,研究了L型附加末端磁力压电悬臂梁的振动情况。并且与双稳态压电悬臂梁的非线性振动进行对比。在不同结构尺寸和磁铁间距下,比较了L型附加末端磁力压电悬臂梁发电能力与L型压电悬臂梁之间发电能力的优劣。
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