压电换能器设计与能量获取特性研究

结构谐振频率，而限制压电悬臂梁的长度，以达到较高的输出电压值。

4.2 质量块质量影响分析

对质量块的质量做以改变，分析其影响：

图3-4所示为谐振频率随质量的增加而降低，可以看出质量的变化对短梁的影响较为明显，从图中可以看出质量从0增加到0.01kg过程中其谐振频率迅速降低，可见，对处于自然振动环境中为结构装置而言，在梁的自由端保留质量块，是一种满足其低频谐振要求的简单可行的方案。

如图3-5、图3-6所示为质量块质量的变化引起输出电压与功率的变化。图中悬臂梁的长度分别为0.05m,0.1m,0.15m时的情况，当悬臂梁长度越长时，越容易断裂。所以当悬臂梁长度为0.15m时，悬臂梁断裂，所以图中的差别很大。

4.3 PZT层厚度的影响

分析PZT层厚度对基频谐振频率、输出电压以及功率的影响，可得出图3-7、3-8、3-9.

如图3-7,随着PZT层的厚度的增加压电悬臂梁的谐振频率都将增加，当不锈钢的厚度增加时，压电悬臂梁的谐振频率也将增加。如图3-8,图3-9所示分别表示输出电压和功率随PZT厚度的增加而增大。

这是由于PZT厚度的增加使振动过程中电荷积聚增多的缘故，虽然越薄的结构越能满足低频谐振的要求，但其输出电压和功率都会下降。PZT层的厚度是影响输出电压和功率的重要因素，较高的输出电压和转换功率有利于驱动较大的负载，因此在结构设计是可以尽可能的增加PZT层，以获取较高的能量。

5.结论

本文设计了一种压电换能器模型并分析得到了压电悬臂梁能量的获取特性随几何因子的变化规律。影响压电悬臂梁能量采集装置谐振频率、输出电压、功率的因素很多，除了以上分析的质量块质量、悬臂梁长度、PZT层厚度等主要几何因素外，构成压电悬臂梁和质量块的材料特性，压电陶瓷的沉淀工艺等都会对此产生一定的影响。因此当材料选取、加工工艺固定时，以上讨论的几何因素便是影响能量获取的主要因素。一般来说，降低结构的谐振频率主要通过权衡质量块的尺寸和压电悬臂梁长度来实现，而为了获得可用的转换质量，可适当增加PZT层的厚度，而压电悬臂梁的宽度，一边以长度的1/7~1/5左右为宜。