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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:李柏緯
研究生(外文):Bo-Wei Li
論文名稱:壓電懸臂樑幾何結構之模擬與分析
論文名稱(外文):The Simulation And Analysis Of Piezoelectric Cantilever Beam Geometry
指導教授:潘宗龍
指導教授(外文):Chung-Long Pan
口試委員:潘宗龍陳炳成沈俊旭
口試委員(外文):Chung-Long PanPing-Cheng ChenJun-Xu Shen
口試日期:2013-07-23
學位類別:碩士
校院名稱:義守大學
系所名稱:電機工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:72
中文關鍵詞:壓電效應無線傳感器壓電懸臂樑尤拉-白努利壓電理論有限元素法
外文關鍵詞:Piezoelectric effectWireless SensorPiezoelectric Cantilever BeamEuler - Bernoulli's theoryPiezoelectricity theoryFinite Element Method
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在環境中,震動能是一個容易取得的能量,例如行駛中的汽車、機具運作而產生的振動等,雖然這些的低頻震動幅度有限,但透過壓電效應,得以力電交換而產生出電能,可以供給電量需求不大的無線傳感器。本文分別分析三角形、梯形與長方形之懸臂樑模組,何種懸臂樑在變更體積之後,任具有保持在低頻下的輸出電壓。
首先使用以有限元素法(Finite Element Method ; FEM)為基礎的COMSOL Multiphysics套裝軟體,並根據壓電材料之特性設計壓電樑尺寸結構,模擬計算出壓電樑之共振頻率與功率。但在設計結構尺寸之前,必須先探討尤拉-白努利理論與壓電理論,以理論方程式推導並設計結構。
In ambient environment, the energy of vibration can be easily achieved, such as the vibration of a running car. Although these vibration amplitude by low-frequency are limited, The piezoelectric energy harvesting device could be got electric energy by piezoelectric effect from piezoelectric materials, by these energy could be used wireless sensor. In this study, we simulated the piezoelectric cantilever beam of Triangular, Trapezoidal and Rectangular, we also simulated which one will contain low-frequency after changing the volume.
First of all, the finite element software COMSOL Multiphysics was utilized calculating the resonance frequency and outer power, and designed piezoelectric beam of the structure size according to the characteristics of the piezoelectric material.
目錄
摘要 i
ABSTRACT ii
目錄 iii
圖目錄 v
表目錄 viii
第一章 緒論 1
1-1研究背景 1
1-2研究動機 2
1.3 論文架構 3
第二章 壓電理論 4
2.1 壓電理論與背景 4
2.1.1 正壓電效應 4
2.1.2 逆壓電效應 4
2.2 壓電材料與應用 5
2.3 壓電本構方程式 6
2.4 壓電片極化處理與方向 8
2-5壓電片操作模式 11
第三章 壓電樑方程組及等效電路建立 14
3.1 機械樑運動方程式推導 14
3.1.1 尤拉-白努利理論(Euler-Bernoulli theory) 14
3.2 壓電機械樑運動方程式推導 18
3.2.1感測與制動方程式 18
3.3 壓電樑等效模組建立 23
3.4 壓電懸臂樑對於外部掛載電容充電之分析 27
3.5 應變與應力分析 33
第四章 模擬結論分析 38
4.1 材料參數及尺寸探討 38
4.2 金屬基板長、寬與厚度改變 40
4.3 壓電陶瓷層長、寬與厚度改變 47
4.4負載質量塊長、寬與厚度改變 54
4.5 提升外部掛載電阻值 60
第五章 模擬結論與展望 61
參考文獻 62





圖目錄
圖 2.1( a) 正壓電效應                     圖 2.1( b)逆壓電效應 5
圖 2.2( a) 極化處理前 9
圖 2.2( b) 極化處理後 9
圖 2.3( a) d_31操作模式 12
圖 2.3( b) d_33操作模式 12
圖 2.3( c) d_15操作模式 13
圖 3. 1 自由端機械樑模組 14
圖 3. 2 壓電機械樑自體圖 15
圖 3. 3 壓電樑模組示意圖 18
圖 3. 4 壓電樑上下覆蓋壓電片之極化方向 19
圖 3. 5 壓電樑簡易等效電路模組 24
圖 3. 6 串聯RLC電路 25
圖 3. 7 壓電樑之完整等效電路模組 26
圖 3. 8 壓電樑標準電路示意圖 27
圖 3. 9 壓電樑對於外部掛載電容充電示意圖[15] 28
圖 3. 10 壓電樑(忽略組尼)於電路放電時之等效電路圖 29
圖 3. 11 壓電樑(無阻尼效應)對後半部電容充電時之等效電路圖 31
圖 3. 12 壓電懸臂樑結構模組 33
圖 3. 13 壓電陶瓷模組 35
圖 3. 14 三種壓電懸臂樑之應變量[17] 36
圖 4. 1 d_31壓電樑模擬結構圖 40
圖 4. 2 金屬基板長度改變與頻率變化趨勢 42
圖 4. 3金屬基板寬度改變與頻率變化趨勢 43
圖 4. 4金屬基板厚度改變與頻率變化趨勢 43
圖 4.5( a) 金屬層長度與電壓變化趨勢 44
圖 4.5( b) 金屬層長度與輸出功率變化趨勢 45
圖 4.6( a) 金屬層寬度與電壓變化趨勢 45
圖 4.6( b) 金屬層寬度與輸出功率變化趨勢 46
圖 4.7( a) 金屬層厚度與電壓變化趨勢 46
圖 4.7( b) 金屬層厚度與輸出電壓變化趨勢 47
圖 4. 8 壓電層長度與共振頻率變化趨勢 49
圖 4. 9 壓電層寬度與共振頻率變化趨勢 49
圖 4. 10 壓電層厚度與共振頻率變化趨勢 50
圖 4.11( a) 壓電層長度與輸出電壓變化趨勢 51
圖 4.11( b) 壓電層長度與功率變化趨勢 51
圖 4.12( a) 壓電層寬度與輸出電壓變化趨勢 52
圖 4.12( b) 壓電層寬度與功率變化趨勢 52
圖 4.13( a) 壓電層厚度與輸出電壓變化趨勢 53
圖 4.13( b) 壓電層厚度與功率變化趨勢 53
圖 4. 14質量塊長度與共振頻率變化趨勢 55
圖 4. 15質量塊寬度與共振頻率變化趨勢 56
圖 4. 16質量塊厚度與共振頻率變化趨勢 56
圖 4.17( a) 質量塊長度與輸出電壓變化趨勢 57
圖 4.17( b) 質量塊長度與功率變化趨勢 57
圖 4.18( a) 質量塊寬與輸出電壓變化趨勢 58
圖 4.18( b) 質量塊寬度與功率變化趨勢 58
圖 4.19( a) 質量塊厚度與輸出電壓變化趨勢 59
圖 4.19( b) 質量塊厚度與功率變化趨勢 59
圖 4. 20 外部掛載電阻與功率變化趨勢 60




表目錄
表 2. 1壓電材料種類[10] 5
表 2. 2 IEEE之標準對應表 8
表4. 1  PZH-5H材料參數 38
表 4. 2 鎳合金材料參數 39
表 4. 3 數值原型結構尺寸 40
表 4.4( a) 壓電樑之金屬基板長度變化尺寸 41
表 4.4( b) 壓電樑之金屬基板寬度變化尺寸 41
表 4.4( c) 壓電樑之金屬基板厚度變化尺寸 41
表 4. 5 數值原型結構尺寸 47
表 4.6( a) 壓電樑之壓電陶瓷長度變化尺寸 48
表 4.6( b) 壓電樑之壓電陶瓷長度變化尺寸 48
表 4.6( c) 壓電樑之壓電陶瓷長度變化尺寸 48
表 4. 7 數值原型結構尺寸 54
表 4.8( a) 壓電樑之壓電陶瓷長度變化尺寸 54
表 4.8( b) 壓電樑之壓電陶瓷寬度變化尺寸 55
表 4.8( c) 壓電樑之壓電陶瓷厚度變化尺寸 55
[1]林蕙君、舒貽忠,壓電振能擷取簡介,國立台灣大學應用力學研究所
[2]Z. S. Chen, Y. M. Yang and G. Q. Deng,Analytical and Experimental Study on Vibration
Energy Harvesting Behaviors of Piezoelectric Cantilevers with Different Geometries
[3]J. Kymissis, C. Kendall, J. Paradiso, N. Gershenfeld, “Parasitic Power Harvesting in
Shoes,” Presented at the Second IEEE International Conference on Wearable Computers,
pp. 132-139 1998.
[4]S. Roundy, and P.K. Wright, “A Piezoelectric Vibration Based Generator for Wireless
Electronics,” Smart Materials and Structures, Vol.13, No.5, pp. 1131-1142, 2004.
[5]L.M. Swallow, J.K. Luo, E. Siores, I. Patel, and D. Dodds, “A Piezoelectric Fiber
Composite Based Energy Harvesting Device for Potential Wearable Applications,” Smart
Materials and Structures, Vol. 17, 025017, 2008.
[6]E. A. Gerber and A. Ballato, Precision Frequency Control, Vol.1, Academic Press,
Inc., New Jersey, 1985.
[7]吳朗, 「電子陶瓷:壓電陶瓷」, 全新資訊圖書, 1994
[8]T. C. Lim and G.W. Farmell, “Search for Forbidden Direction of Elastic Surface-Wave
[9]周卓明, 「壓電力學」, 全華科技圖書, 2003
[10]IEEE Standard on Piezoelectricity, A NSVIEEE Std 176-1987, March 12. 1987.
[11]廖偉翔, 蔡明祺, 壓電換能器於低頻發電應用之設計與分析, 國立成功大學機械工程學系碩士論文, 2007
[12]連益慶, 壓電能量擷取系統之分析研究, 國立台灣大學應用力學研究所碩士論文, 2005
[13]William T. Thomson, “Theory of vibration with applications, ”4th edition, 1993
[14]潘華文,可調頻壓電樑之模型推導與振能回收研究,國立台灣科技大學機械工程系碩士論文, 2009
[15]洪三山, 黃子凡, 利用高整合型IC 實現TPMS 之功能與電池功率消耗的推算,兩岸機電暨產學合作學術研討會論文
集, 2008
[16]T. A. Anderson, D. W. Sexton, "A Vibration Energy Harvesting Sensor Platform for
Increased Industrial Efficiency," In 2006 Proc. of the SPIE, Vol. 6174, pp. 621-629.

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