壓電換能器設計與能量獲取特性研究

4.2 質量塊質量影響分析

對質量塊的質量做以改變，分析其影響：

圖3-4所示為諧振頻率隨質量的增加而降低，可以看出質量的變化對短梁的影響較為明顯，從圖中可以看出質量從0增加到0.01kg過程中其諧振頻率迅速降低，可見，對處于自然振動環(huán)境中為結構裝置而言，在梁的自由端保留質量塊，是一種滿足其低頻諧振要求的簡單可行的方案。

如圖3-5、圖3-6所示為質量塊質量的變化引起輸出電壓與功率的變化。圖中懸臂梁的長度分別為0.05m,0.1m,0.15m時的情況，當懸臂梁長度越長時，越容易斷裂。所以當懸臂梁長度為0.15m時，懸臂梁斷裂，所以圖中的差別很大。

4.3 PZT層厚度的影響

分析PZT層厚度對基頻諧振頻率、輸出電壓以及功率的影響，可得出圖3-7、3-8、3-9.

如圖3-7,隨著PZT層的厚度的增加壓電懸臂梁的諧振頻率都將增加，當不銹鋼的厚度增加時，壓電懸臂梁的諧振頻率也將增加。如圖3-8,圖3-9所示分別表示輸出電壓和功率隨PZT厚度的增加而增大。

這是由于PZT厚度的增加使振動過程中電荷積聚增多的緣故，雖然越薄的結構越能滿足低頻諧振的要求，但其輸出電壓和功率都會下降。PZT層的厚度是影響輸出電壓和功率的重要因素，較高的輸出電壓和轉換功率有利于驅動較大的負載，因此在結構設計是可以盡可能的增加PZT層，以獲取較高的能量。

5.結論

本文設計了一種壓電換能器模型并分析得到了壓電懸臂梁能量的獲取特性隨幾何因子的變化規(guī)律。影響壓電懸臂梁能量采集裝置諧振頻率、輸出電壓、功率的因素很多，除了以上分析的質量塊質量、懸臂梁長度、PZT層厚度等主要幾何因素外，構成壓電懸臂梁和質量塊的材料特性，壓電陶瓷的沉淀工藝等都會對此產生一定的影響。因此當材料選取、加工工藝固定時，以上討論的幾何因素便是影響能量獲取的主要因素。一般來說，降低結構的諧振頻率主要通過權衡質量塊的尺寸和壓電懸臂梁長度來實現，而為了獲得可用的轉換質量，可適當增加PZT層的厚度，而壓電懸臂梁的寬度，一邊以長度的1/7~1/5左右為宜。