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研究生:韓春生
論文名稱:壓電式蓄能系統之實驗研究
論文名稱(外文):Experimental Research on Piezoelectric Power Harvesting System
指導教授:陳國慶陳國慶引用關係
指導教授(外文):Kuo-Ching Chen
學位類別:碩士
校院名稱:國立暨南國際大學
系所名稱:土木工程學系
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:75
中文關鍵詞:壓電
外文關鍵詞:piezoelectricpower harvesting
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為提供微機電系統及無線設備之運作能量,本文以研究能量轉換器為目的,因壓電材料之力電耦合特性,能將應變能轉換成電能,然而在週遭環境中振動源隨處可見,且壓電材料具有質輕、響應快、穩定性高、能量轉換率高、高靈敏度、無電磁干擾等的優點,非常適合用於微機電系統及無線設備中,故本文以壓電材料為研究基礎,探討壓電材料之特性,並建立研究模型之理論分析,而實驗則是針對PZT複合樑在不同的幾何變化、是否施加外在負載及不同電極形狀等,探討其開路電壓、共振頻率等之比較。
本文分析結果發現,壓電材料在幾何變化下,壓電材料之共振頻率與發電電壓會因其而改變,且不同之外部電子元件亦會對壓電材料之振動行為產生影響,然而在壓電材料分析中,因電極層厚度遠低於壓電材料厚度,所以通常忽略電極層之影響,而在本文之實驗中發現,不同之電極形狀能得到不同之力電耦合轉換效率。
本文中亦發現壓電材料若與外部電容匹配不佳時,則壓電材料所轉換之電能無法對其充電或充電效果不佳,總而言之,本文建立了許多不同實驗模型,分別針對壓電材料之性質、不同外部負載之影響等作系列之研究,讓整體之壓電能量轉換器特性能更深入地研究,並能為壓電能量轉換器與外部電路最佳化設計之參考。
In this thesis, we study the energy conversion system that can provide the operating energy for the Micro-Electron-Mechanical-System (MEMS) and the wireless devices by using the piezoelectric materials. Because the piezoelectric materials have the ability of electrical and mechanical coupling, they can convert the strain energy, which is generated by any kind of vibration, into the electrical energy. Furthermore, the piezoelectric materials have the advantages of less weight, fast response, high sensitivity, no electromagnetic interference, good stability and good energy conversion rate so they are suitable to be used in the MEMS and the wireless devices. In this study, we focus on the properties of piezoelectric materials and then theoretically derive the governing equations of these materials. Several experiments are performed on the resonant frequency in the different geometric shape of PZT composite beam, different electrode and external loads.
The experiment results show that the resonant frequency and the output voltage will be changed in different geometric shape of the piezoelectric materials, of which the vibrated behavior will be affected by the different external electrical devices. However, the influence of electrode is usually excluded because the thickness of electrode is much smaller than that of the piezoelectric material. And we can find that the different shape of electrode gives rise to the different conversion rate of electrical and mechanical coupling. Moreover, if the external capacitor doesn’t match the internal equivalent capacitor of the piezoelectric materials, it could not be charged by the vibration of piezoelectric materials. In conclusion, we analyze the property of the piezoelectric material and the effect of the different external load. This work provides useful information which will be useful for further studies.
誌謝---------------------------------------------------------Ⅰ
中文摘要-----------------------------------------------------Ⅲ
English Abstract---------------------------------------------Ⅳ
目錄---------------------------------------------------------Ⅴ
圖目錄-------------------------------------------------------Ⅶ
表目錄-------------------------------------------------------Ⅹ
第一章 緒論------------------------------------------------1
1.1 研究動機----------------------------------------------1
1.2 論文大綱----------------------------------------------2
1.3 壓電材料的演化----------------------------------------2
1.4 常用的壓電材料----------------------------------------3
1.5 壓電材料的應用----------------------------------------5
第二章 壓電原理--------------------------------------------6
2.1 壓電材料的特性----------------------------------------6
2.2 機械應變與電場間的關係--------------------------------7
2.3 壓電本構方程式----------------------------------------8
2.4 壓電材料特性參數-------------------------------------10
2.5 壓電常數---------------------------------------------11
第三章 壓電材料之遲滯現象---------------------------------13
3.1 壓電材料之微觀特性-----------------------------------13
3.2 壓電材料之極化方向、外加電場與應變之關係-------------14
3.3 電致伸縮---------------------------------------------16
3.4 鐵電材料---------------------------------------------18
3.5 遲滯現象---------------------------------------------19
3.6 蝴蝶曲線遲滯現象 -----------------------------------21
第四章 PZT壓電複合樑模型分析 --------------------------23
4.1 PZT壓電樑廣義控制方程式 --------------------------23
4.2 PZT壓電複合樑之研究模型分析 -------------------27
第五章 壓電式蓄能系統之實驗 ----------------------------31
5.1 實驗設備 -------------------------------------------31
5.2 壓電複合樑模型 --------------------------------------33
5.3 鐵電材料之遲滯曲線實驗-------------------------------38
5.4 鐵電材料之極化方向與外加電場及應變之關係 ------------39
5.5 鐵電材料之共振頻率與外加電阻及外加電容之關係 --------42
5.6 鐵電材料等效電容值與外部電容電容值之充電關係 --------47
5.7 鐵電材料尺寸變化在開路下之電壓比較 ------------------49
5.8 相同PZT厚度不同層數之發電效果比較 -------------------54
5.9 鐵電材料電極形狀變化在開路下之電壓比較 -----------55
5.10 外加質量塊下之開路電壓比較---------------------------57
5.11 相同壓電材料有無質量塊對外部電容之充電實驗-----------59
第六章 結論與未來展望-------------------------------------61
6.1 結論-------------------------------------------------61
6.2 未來展望---------------------------------------------62
參考文獻 ----------------------------------------------------64
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