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隨著大規(guī)模低功耗集成電路的設計改進，使微型傳感器及低功耗的數字信號處理器的功耗控制在1mW以下得以實現。因此，收集環(huán)境中的能量或人力發(fā)電為微型傳感器提供電能已成為自供能技術的必然趨勢。根據能量轉換機理的不同，振動-電能的轉換方法可分為電磁式、靜電式和壓電式。其中，壓電發(fā)電是利用壓電陶瓷的正壓電效應來實現機械能向電能的轉換，壓電發(fā)電裝置通過特殊的壓電材料將環(huán)境中振動的能量收集起來，并將其轉換成可替代電池為微電子產品供電的電能。壓電發(fā)電裝置具有較高的能量密度，無需外部供電，無電磁干擾，壽命幾乎無限及易實現機構的微小化和集成化等優(yōu)點，近年來得到了人們更多的關注。
王光慶提出了一種利用壓電疊堆進行機電能量轉換的壓電發(fā)電裝置，并建立了該壓電發(fā)電裝置的機電耦合分析模型，基于該模型研究了壓電疊堆結構尺寸、材料參數、外力激振頻率和幅值、系統(tǒng)慣性質量及彈簧剛度等對裝置發(fā)電性能的影響規(guī)律。華盛頓州立大學研制出一種高能量密度微動力源-P3微熱力發(fā)動機，其中的關鍵部分是薄膜式壓電發(fā)電機。該裝置基于動態(tài)熱力發(fā)動機原理設計研制，微熱力發(fā)動機通過外部熱源驅動，將熱能從外部導入到發(fā)動機內，然后，通過二相工作溶液的膨脹和收縮，進而使熱能被轉化為機械能，最后，機械能通過壓電薄膜發(fā)電機轉化為電能。袁江波等基于單懸臂梁壓電振子，對環(huán)境振動頻率敏感且頻帶有限，在諧振頻率與環(huán)境振動頻率不匹配的情況下，會導致壓電振子俘能效率低的問題，設計了一種復合型懸臂梁壓電振子并建立了其振動模型，還采用了激光測振儀對復合型懸臂梁壓電振子進行掃頻測試。
杭州那泰有限元分析公司針對目前的懸臂梁壓電發(fā)電裝置的局限性，提出了一種工形壓電發(fā)電裝置，并基于ANSYS有限元軟件建立了工形構件有限元分析模型，并對工形構件進行了靜力、模態(tài)分析，壓電耦合分析及參數化研究，可用于預測結構的固有頻率、振型、發(fā)電性能并提供最優(yōu)化結構設計。
工形壓電發(fā)電裝置采用工形鈑金結構及底座、質量塊結構，包括底座、工形鈑金、質量塊和壓電片，工形鈑金的每個轉角折彎處粘有壓電陶瓷片。工形鈑金的底端與底座焊接在一起，頂端則通過螺栓與質量塊相連。其中，質量塊邊上兩孔剛好穿過底座兩邊的2個立柱，質量塊可在立柱上無摩擦滑動。
對于結構示意圖所示的工形壓電發(fā)電裝置，當裝置的底座固定且與工形鈑金連接的質量塊上、下振動時，質量塊的質量和振動慣性力對工形鈑金施加豎直方向的壓力，從而使工形鈑金發(fā)生形變，帶動粘貼在工形鈑金折彎處的壓電片變形，進而壓電發(fā)電。該結構改進了傳統(tǒng)的懸臂梁壓電振子僅只有在固定端處應變較大，其他地方應變較小，難以粘貼壓電片發(fā)電的缺陷。將一塊長板進行多次折彎，形成一個工形鈑金壓電發(fā)電結構，這樣每個折彎的地方就相當于原來壓電振子的固定端，會產生較大的應變，從而可在每個折彎轉角處粘貼壓電片，使單位體積內發(fā)電量大，更高效地收集環(huán)境中的振動能量，與傳統(tǒng)懸臂梁壓電發(fā)電裝置相比，具有明顯的優(yōu)勢和創(chuàng)新。
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