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1、广东省第十二届大学生物理实验设计大赛,广东工业大学,悬臂梁共振发电,参赛队员:朱东科、何时朗、李春焜、林佳克,指导老师:杨燕婷 方 允 周 莹,广东省第十二届大学生物理实验设计大赛,生产中的振动经常引发各种危害,但根据振动总能量E ,大型机械如磨床等所蕴含的能量是巨大的。 本设计利用压电陶瓷的正压电效应,转换振动能量,为照明LED灯提供电能。,一、引言,广东工业大学,广东省第十二届大学生物理实验设计大赛,广东工业大学,二、物理原理,1、压电陶瓷片的31工作模式,见图一。,图一 压电陶瓷片的正压电效应,六维应变矢量,应力矢量,三维电位移,66维常电场 伴随矩阵,36维电应变 常数矩阵,33维常压
2、力 介电常数矩阵,描述压电陶瓷力学量 和电学量的相互关系,(机械工程学报 44卷11期,2008,75-79),广东省第十二届大学生物理实验设计大赛,广东工业大学,二、物理原理,2、悬臂梁结构振动原理,见图二,压电陶瓷介电常数,压电陶瓷弹性模量,压电陶瓷压电常数,压电陶瓷片电容,压电陶压电耦合系数,驱动频率,负载,幅值,图二 悬臂梁结构的单自由度模型,U(挠度),广东省第十二届大学生物理实验设计大赛,广东工业大学,三、实验数据,注:压电陶瓷片长度:50mm;宽度:35mm;厚度:0.2mm;压电常数:23010-12c/n; 机电耦合系数:0.35;弹性模量:63Gpa;介电常数:3500F/m;电容量:220nF。 质量块质量为1.1g。 悬臂梁长度:50mm;宽度:35mm;厚度:0.6mm;等效惯性矩:0.63mm4。,广东省第十二届大学生物理实验设计大赛,广东工业大学,四、装置结构,装置调试流程:,确定环境频率,参数理论计算,设置结构参数,装置安装,外接电路,LED供能,支座,悬臂梁,广东省第十二届大学生物理实验设计大赛,广东工业大学,五、特点,1、发电来源是原本被废弃的振动能量,4、随着压电材料压电性能的提高,该发电技术的应用前景广泛,2、既吸收危害性振动,又提供优质电源,3、悬臂梁固有频率可调,适应性强,广东省第十二届大学生物理实验设计大赛,广东
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