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梁式压电换能器的力电耦合分析

作　者: 徐梦华
导　师: 王保林
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 力学
关键词: 压电梁压电效应能量获取
分类号: TN712.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着各种小型电子设备的广泛使用，电子设备的自供能问题日益凸显。利用压电效应获取环境振动能量的方式越来越显示出其应用环境广泛、方便简洁的优势。压电换能器有多种结构，梁式压电换能器是其中一种重要的类型。由于压电悬臂梁的末端有集中质量的情况下，很难给出振动状态下压电效应的解析表达式，因此目前国内这方面的研究多限于实验测试。涉及到一阶以上共振频率的梁式压电换能器相关研究较少，理论尚匮乏。传统的有关压电换能器中压电梁的研究大多限于单阶振型或者直接简化为单自由度模型，不适合于较高频率的振动。在外界频率较高的情况下会有很大的误差。本文共分四章，针对末端带有集中质量的压电悬臂梁展开分析，系统研究了在较大频率范围内的电流输出性质。第一章阐述了获取环境能量的巨大意义和各种能量获取方式的优劣，并简要介绍了国内外的相关方向理论成果。第二章首先简述了压电效应的产生原理和相关基础理论，列举了四种常见边界条件下的压电方程组。其次，对悬臂梁和简支梁进行了静力学分析，得到了他们在一定变形下的压电效应计算式，为后续章节的动力学分析做了准备工作。第三章对压电悬臂梁展开动力学分析。首先针对带有集中质量的悬臂梁进行主振型的修正。得到了既满足边界条件，有具有正交性的前三阶主振型计算式，并利用数学软件绘制了相应振型图线。其次，利用所得到的主振型计算了压电悬臂梁的动态挠度，并分析振动中的阻尼问题。再次，对压电悬臂梁的工作过程进行了定性分析。最后，阐述了压电悬臂梁电荷输出的计算方法。第四章利用前面章节的理论成果进行了大量的数值计算。首先，得到了压电悬臂梁随不同参数变化的有效电流输出曲线。总结并分析了曲线所展现的规律。其次，得到了固有频率随不同参数变化的曲线，并与相关文献进行了简要对比。最后，针对论文中可能的问题和今后的研究方向进行了讨论。

梁式压电换能器的力电耦合分析

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