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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(dāng)前研究的一個熱點(diǎn)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(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的微小化、集成化等優(yōu)點(diǎn)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(jìn)行深入的研究，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(jī)電藕合系數(shù)，俘能性能更好。本研究將對鼓形俘能器進(jìn)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(yùn)用有限元仿真軟件對其進(jìn)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(jìn)行了俘能實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)際的工藝加工，使俘能器性能達(dá)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(jìn)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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