半电极压电纤维能量收集建模与仿真

为改善圆柱形压电纤维的发电能力,对其进行理论分析,建立了半电极压电纤维的能量收集效率与纤维截面内外径比、外部压电层与金属芯柔度比及纤维的机电耦合系数之间的关系。使用数学建模的方法,讨论了收集效率与这三个参数之间的理论方程,并且进行仿真实验。结果表明:在纯弯矩作用下半电极压电纤维的能量收集效率随着机电耦合系数的增大而提高,随柔度系数比的增大而减小,随着半径比的增大先增大后减小。

半电极含金属芯压电纤维的弯曲振动模型

建立了悬臂梁结构的半电极含金属芯压电纤维(HMPF)的弯曲振动模型和动态测试模型。基于外加电压时的等效弯矩,推导了悬臂梁结构的HMPF的弯曲振动模型;用第一类压电方程,推导了外加简谐激励电压时,HMPF的表面电位移、电荷和导纳,建立了动态测试模型,通过测量共振频率fr、反共振频率fa和低频电容CLF,得到HMPF的弹性柔顺系数s1E1、机电耦合系数k31、介电常数ε3T3和压电常数d31。叙述了弯曲振动模型和动态测量模型的建立过程和测试步骤,测试了3根HMPF样品,得到各参数的平均值,s1E1为16.856×10-12 Pa-1,k31为0.179,ε3T3为2 251,d31为-103.621pC/N。测试结果表明所建立的动态测试方法可以快速、准确地测量HMPF的主要参数。