两端固支式双晶片压电梁建模及发电特性分析

压电梁能将机械振动转换为电能,有效解决了轨道车辆走行部件安全监测传感器的供电问题。为获取其发电特性,根据小弯曲变形理论建立压电梁的弯矩方程,按照一维压电片应力和电位移方程建立压电梁机电转换数学模型。采用Nelder⁃Mead单纯形算法实现结构参数优化并分析了压电梁材料、结构参数和振动频率对发电效能的影响规律,通过仿真及实验验证了理论模型的正确性。结果表明:双晶片梁的发电效能随弹性模量比增加而减小;低弹性模量的金属基底构成的压电梁,输出能量较高且共振频率低;压电梁存在最佳厚度比使其发电效能最大,铍铜的最佳厚度比为0.213,锰白铜为0.261。实测值与理论值相比,输出有效电压最大偏差为0.13 V,相对偏差小于2.8%;输出功率最大偏差为0.024 mW,相对偏差小于2.9%。

用精确电场法和等效电路法计算压电双晶片梁的等效电容

采用5端口等效电路法描述压电双晶片梁的动力学特性,通过控制方程和边界条件设计出等效电路,并给出了3种边界情况下的导纳公式,由导纳公式得到等效电容。分别用精确电场法与等电场法计算了压电双晶片梁的等效电容,并进行对比,得到了等效电容在基频附近的变化规律:等电场法高估了共振频率处的等效电容,并低估了共振频率;频率小于基频时,等效电容大于静态电容;频率在基频处,等效电容迅速增大,最大值可达静态电容的10倍;然后等效电容迅速减小,在反共振频率处达到一个小于静态电容的极小值,最后随频率增大而缓慢增大。本研究结果可用于预测压电声子晶体的LC局域共振带隙。