基于压电效应的压电发电技术研究

分类号：TN707单位代码：10110学号：s20080403中北大学全日制工程硕士学位论文基于压电效应的压电发电技术研究硕士研究生姬玉芳指导教师孙运强学科专业仪器仪表工程2011年4月25日图书分类号TN707密级非密UDC621.3硕士学位论文基于压电效应的压电发电技术研究姬玉芳（作者姓名）指导教师（姓名、职称）孙运强教授申请学位级别全日制工程硕士专业名称仪器仪表工程论文提交日期2011年4月25日论文答辩日期2011年5月28日学位授予日期年月日论文评阅人张榆生桑胜波刘兴来答辩委员会主席张榆生2011年4月25日原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：日期：关于学位论文使用权的说明本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。签名：日期：导师签名：日期：中北大学学位论文基于压电效应的压电发电技术研究摘要随着人们对连续电力供应的需求和绿色环保能源意识的不断增强，利用新型压电材料的压电发电技术已成为目前研究的一个热点领域。压电材料是一种依靠外界振动使其发生变形而发电的节能环保型材料，利用压电材料制作的压电发电装置不但结构上较简单、不易发热、低成本，而且能够实现小型化、集成化的结构等优点。从国内外压电材料的资料中发现，影响发电能力的因素很多，本文利用压电陶瓷存在的正压电效应实现了机械能和电能的相互转换，并对可以造成影响的因素进行了仿真和实验研究。本文的主要研究内容如下：1.通过对压电振子和各种压电材料的特性分析，根据正压电效应的理论，本文选择了适合压电发电的PZT-5H压电陶瓷材料。2.对影响压电振子电能输出的结构尺寸参数、支撑方式、激励方式等进行了简单的介绍，阐述了不同形状压电振子的振动情况和发电性能，为下一步的分析提供了正确的理论指导。3.对压电振子发电性能通过实验和有限元分析软件来测试。实验分析了对压电振子发电量产生影响的各种因素，如不同形状、不同支撑方式、不同负载电阻、单双晶片压电振子不同连接方式下对输出电压的影响都不同。4.为了使压电振子得到更高的发电量，在对本文研究结果进行总结的同时，对下一步的研究工作提出了一定的设想和展望。关键词：压电发电,振动,正压电效应,压电振子,有限元分析中北大学学位论文BasedonthepiezoelectriceffectofpiezoelectricpowergenerationtechnologyABSTRACTWiththedemandforcontinuouspowersupplyandgrowingawarenesstogreenenergy,piezoelectricgenerationtechnologywhichusethenewpiezoelectricmaterialshasbecomeahotresearchfield.Thepiezoelectricmaterialisaenergy-savingenvironmentallymaterialswhichdependonthedeformationoftheexternalvibrationtogenerateelectricity,Thepiezoelectricgenerationdevicethatuseofpiezoelectricmaterialhassomeadvantagessuchassimplestructure,noheat,lowcost,easytoachieveminiaturizationandintegrationofthestructural,etc.Wefoundfromdomesticandinternationaldataofpiezoelectricmaterials,therearemanyfactorsthataffectthepowergenerationcapacity,inthispaper,itachievesthemechanicalenergyandelectricalenergyconversiontakeadvantageofthepiezoelectriceffectofpiezoelectricceramics,anddoesexperimentalanalysisandtestingtothevariousinfluencingfactors.Themaincontentsinthisarticleareasfollows:1.Throughthecharacteristicsanalysistothepiezoelectricvibratorandavarietyofpiezoelectricmaterials.Accordingtothetheoryofpiezoelectriceffect,thisarticlepowerchooseanamedPZT-5Hpiezoelectricceramicmaterialsthatforgeneratingpiezoelectric.2.Weintroduceinasimplewaytothestructureandsizeparameters,supportmethods,motivationalmethodswhichinfluencepoweroutputofthepiezoelectricvibrator.Wedescribethevibrationandpowergenerationperformanceforthedifferentshapesofpiezoelectricvibrator,whichlaythefoundationprovidethetheoreticalguidanceforfuture.3.Wedoexperimentandtesttothefiniteelementanalysissoftwareforthepowergenerationperformanceofpiezoelectricvibrator.Thisexperimentanalyvariousfactorsthatimpactgenerationofthepiezoelectricvibrator,suchaspiezoelectricvibratorthathasdifferentshapes,differentsupportmethods,differentloadresistance,singleanddoublechiphasdifferentimpactontheoutputvoltageunderdifferentconnectionmode.4.Inordertoimprovethegenerationcapacityofthepiezoelectricvibrator,inthispaper,basedonthesummaryoftheresults,thispaperpresentssomeideasandoutlookonthenextresearchwork.中北大学学位论文KeyWords:piezoelectricgenerator,vibration,positivepiezoelectriceffect,piezoelectricvibrator,finiteelementanalysis中北大学学位论文I目录1.绪论......................................................11.1选题的背景和意义..................................................11.2压电发电的国内外研究现状..........................................21.2.1压电材料的发展历史及现状.....................................21.2.2国内外研究现状...............................................41.3本文主要研究内容..................................................82.压电效应分析...............................................92.1压电发电的基础理论................................................92.1.1压电陶瓷.....................................................92.1.2压电陶瓷的应用..............................................102.1.3压电效应....................................................112.1.4压电陶瓷的性质..............................................142.1.5压电方程....................................................172.2压电振子的理论分析...............................................192.2.1压电振子....................................................192.2.1.1压电振子的不同支撑方式....................................202.2.1.2压电振子的不同振动模式....................................212.2.1.3压电振子的三种激励方式....................................232.2.2压电振子的特性..............................................252.2.2.1压电振子的谐振特性........................................252.2.2.2压电振子的电压输出特性....................................272.2.2.3压电振子的电荷输出特性....................................282.2.3不同类型压电双晶片的发电特性................................302.2.4压电振子的固有频率分析......................................322.2.5矩形压电振子的振动理论研究..................................322.2.5.1梁的振动微分方程..........................................32中北大学学位论文II2.2.5.2负载影响压电振子能量输出特性的研究.........................342.2.5.3悬臂支撑下矩形压电振子的发电特性研究.......................352.2.6圆形压电振子的振动理论特性研究...............................382.2.6