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研究生: 周聖倫
Sheng-Lueng Chou
論文名稱: 壓電能量擷取系統以邊界設計方法降低共振頻率之研究
Piezoelectric Energy Harvesting System to Reduce the Resonant Frequency by Boundary Design Method
指導教授: 黃育熙
Yu-Hsi Huang
口試委員: 陳品銓
Pin-Chuan Chen
劉孟昆
Meng-Kun Liu
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2017
畢業學年度: 105
語文別: 中文
論文頁數: 139
中文關鍵詞: 壓電能量擷取系統降頻邊界條件彈簧共振頻率模態電子斑點干涉術阻抗分析法雷射都卜勒振動儀
外文關鍵詞: Piezoelectric energy harvester, lower down frequency, boundary condition, spring, resonant frequency, mode shape, AF-ESPI, impedance analyzer, LDV
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  • 本論文主旨在於透過設計不同型式之邊界連接壓電雙晶片,以降低其共振頻率,本論文所設計的邊界型式有:具有柔度的彈性支架邊界、將試片一端接上彈簧之單邊彈簧邊界以及試片兩端均接上彈簧之雙邊彈簧邊界,本論文將實地製作多種邊界,並透過多種不同之實驗方法進行實驗驗證,實驗之結果將與有限元素法與理論分析之結果進行比較,以確認其準確性,其中理論分析的部分,本研究透過樑理論模型來探討壓電材料之振動特性,透過該模型可探討試片在不同線性勁度與扭轉勁度之邊界下,將對應哪些共振頻率,此外在進行實驗之過程中亦會量測單邊固定與雙邊固定邊界之振動特性,以作為共振頻率降低之比較基礎。本研究透過三種量測設備來協助進行分析,包括全域式的電子斑點干涉術(Electric Speckle Pattern Interferometry,簡稱 ESPI)可針對壓電材料進行即時量測,記錄三維振動的模態振形與共振頻率的參考依據;雷射都卜勒振動儀(Laser Doppler Vibrometer,簡稱 LDV)可針對壓電材料單點的面外(out-of-plane)振動進行穩態掃頻量測位移分析,並且可以獲得壓電材料的面外共振頻率;阻抗分析儀(Impedance Analyzer)則針對壓電材料的電性作量測,可獲得面內振動的共振頻率,同時亦可獲得反共振頻率。由實驗結果發現彈性支架邊界與彈簧邊界均能有效的降低試片共振頻率,但部分邊界設計在降頻的同時會有降低試片輸出電壓之現象,雙邊雙彈簧邊界為本研究中較佳之邊界型式,該邊界型式除了能大幅降低共振頻率外,亦能提高能量擷取時之電壓輸出。此外本研究所推導之理論模型與模擬結果亦有良好之對應性。


    In this paper, the purpose of this investigation is to design the different boundary conditions to connect the PZT for reducing its natural frequency. The boundary conditions are including both on elastic fixtures and spring boundaries. The several designs used on a series of experimental measurements to verify our predictions. The experimental results are compared with the FEM and theoretical analysis. The Euler-Bernoulli’s beam theory is used to analyze on the vibration characteristics of piezoelectric materials. The natural frequencies of piezoelectric plates are calculated based on three boundary conditions, i.e., clamped end, linear and torsional stiffness. In addition, the natural frequencies of the clamped-end boundary condition are determined as the basis for comparison with the reduction of the natural frequency.
    Three experimental techniques are used to measure the dynamic characteristics of piezoelectric materials. First, the full-field optical technique, amplitude-fluctuatio n electronic speckle pattern interferometry (AF-ESPI), can measure simultaneously the resonant frequencies and mode shapes for out-of-plane and in-plane vibrations. Second, the pointwise measurement system, laser Doppler vibrometer (LDV), can obtain resonant frequencies by dynamic signal swept-sine analysis. Third, the correspondent in-plane resonant frequencies and anti-resonant frequencies are obtained by impedance analysis. It is found that the boundary conditions under the elastic fixtures and the spring boundaries can effectively reduce the resonant frequency of the PZT, However, some of the boundary conditions might reduce the output voltage of the piezoelectric voltage energy harvester at the same time. It can be concluded on that the bilateral spring boundary is the better boundary condition when the PZT was designed both on the lower down frequency and higher the voltage output. It is shown on good agreement between the theoretical analysis, FEM calculation, and experimental measurements in this study.

    目錄 中文摘要 I Abstract II 誌謝 III 目錄 IV 圖目錄 VII 表目錄 XI 符號索引 XII 第一章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2文獻回顧 3 1.3論文內容簡介 8 第二章 壓電材料相關理論 10 2.1壓電基本理論 10 2.2壓電材料常數轉換 13 2.3壓電平板介紹 15 2.3.1單層壓電陶瓷平板理論解析 15 2.3.2壓電陶瓷雙晶片簡介 17 2.3.3壓電陶瓷雙晶片理論方程組 20 第三章 壓電樑理論模型與數值分析 22 3.1推導壓電樑之控制方程式 22 3.2邊界型式介紹及其特徵方程式 26 3.2.1單邊固定邊界 26 3.2.2雙邊固定邊界 28 3.2.3單邊雙彈簧邊界 29 3.2.4單邊雙彈簧邊界(限定自由度) 30 3.2.5單邊扭轉彈簧邊界 31 3.2.5單邊雙彈簧外加扭轉彈簧邊界 32 3.2.6雙邊雙彈簧邊界 34 3.3數值分析方法 36 3.4單邊雙彈簧邊界下勁度與共振頻率之關係探討 39 第四章 實驗原理以及操作步驟 42 4.1實驗原理與架設方式 42 4.1.1電子斑點干涉術 42 4.1.2雷射都卜勒振動儀 46 4.1.3阻抗分析儀 49 4.1.4振動器 53 4.2實驗方法與量測步驟 54 4.2.1電子斑點干涉術(AF-ESPI) 56 4.2.2雷射都卜勒振動儀(LDV) 57 4.2.3阻抗分析 (Impedance Analyzer) 57 第五章固定邊界下的振動特性 58 5.1 單邊固定長度58mm 58 5.1.1逆壓電效應之結果與比較 61 5.1.2正壓電效應之結果與比較 63 5.1.3正壓電與逆壓電效應之結果比較 66 5.2 單邊固定長度60mm 68 5.2.1逆壓電效應之結果與比較 68 5.2.2正壓電效應之結果與比較 71 5.2.3正壓電與逆壓電效應之結果比較 74 5.3 雙邊固定長度57mm 76 5.3.1逆壓電效應之結果與比較 76 5.3.2正壓電效應之結果與比較 78 5.3.3正壓電與逆壓電效應之結果比較 80 5.4 結論 82 第六章彈性支架邊界下的振動特性 83 6.1 厚度1mm彈性支架 83 6.1.1逆壓電效應之結果與比較 85 6.1.2正壓電效應之結果與比較 89 6.1.3正壓電與逆壓電效應之結果比較 92 6.1.4與單邊固定之比較 96 6.2 厚度0.58mm彈性支架 97 6.2.1逆壓電效應之結果與比較 97 6.2.2正壓電效應之結果與比較 101 6.2.3正壓電與逆壓電效應之結果比較 104 6.2.4與單邊固定之比較 108 6.3結論 108 第七章彈簧邊界下的振動特性 109 7.1單邊雙彈簧邊界 109 7.1.1 勁度(k)與扭轉勁度(kt)之測量 112 7.1.2逆壓電效應之結果與比較 112 7.1.3 正壓電效應之結果與比較 117 7.1.4 正壓電與逆壓電效應之結果比較 121 7.1.5 與單邊固定之比較 122 7.2 雙邊雙彈簧邊界 123 7.2.1 逆壓電效應之結果與比較 124 7.2.2 正壓電效應之結果與比較 127 7.2.3 正壓電效應與逆壓電效應之結果比較 130 7.2.4 與雙邊固定邊界比較 130 7.3 結論 130 第八章結論與未來工作 131 8.1討論 131 8.2結論與未來工作 132 參考文獻 133 附錄 137 A. 振動器(DP-Shaker)規格 137   圖目錄 圖 2-1 單層壓電陶瓷平板尺寸變數示意圖與極化方向 16 圖 2-2 並聯型雙晶片以並聯電極連接型式(PBP) 19 圖 2-3 並聯型雙晶片以串聯電極連接型式(PBS) 19 圖 2-4 串聯型雙晶片以並聯電極連接型式(SBP) 19 圖 2-5 串聯型雙晶片以串聯電極連接型式(SBS) 19 圖 3-1 壓電樑自由體圖 22 圖 3-2 單邊固定示意圖 26 圖 3-3 雙邊固定示意圖 28 圖 3-4 單邊雙彈簧示意圖 29 圖 3-5 單邊雙彈簧之樑示意圖 30 圖 3-6 單邊扭轉彈簧示意圖 32 圖 3-7 單邊雙彈簧外加扭轉彈簧示意圖 33 圖 3-8 雙邊雙彈簧示意圖 35 圖 3-9 雙邊雙彈簧之樑示意圖 35 圖 3-10 壓電陶瓷雙晶片FEM之邊界條件 37 圖 3-11 自然共振頻率步驟設定 37 圖 3-12 彈簧型式設定 38 圖 3-13 彈簧之自由度與勁度設定 38 圖 3-14 頻率與 及 關係圖-f1 40 圖 3-15 特定 下共頻率與 值關係邊圖-f1 40 圖 3-16 頻率與 及 關係圖-f2 41 圖 3-17 特定 下共頻率與 值關係圖-f2 41 圖 4-1 ESPI面外光路架設(藍線)[41] 43 圖 4-2 聲光調製器工作示意圖[34] 48 圖 4-3 雷射都卜勒光學系統[35] 48 圖 4-4 壓電材料二維機電耦合阻抗模型 51 圖 4-5 壓電材料在特定共振頻率範圍內的頻率阻抗曲線 51 圖 4-6 阻抗分析儀量測壓電材料的實驗架設 52 圖 4-7 阻抗分析儀外觀 52 圖 4-8 振動器 53 圖 4-9 彈性支架逆壓電實驗示意圖 54 圖 4-10 單邊固定正壓電實驗示意圖 55 圖 4-11 AF-ESPI的面外架設示意圖 56 圖 5-1 鋁質基座尺寸 58 圖 5-2 鋁質上蓋尺寸 59 圖 5-3 單邊固定組合後示意圖 59 圖 5-4 單邊固定虎夾夾持示意圖 60 圖 5-5 單邊固定-LDV量測位置 60 圖 5-6 單邊固定長度58mm -FEM與逆壓電效應下ESPI之模態比較 61 圖 5-7 單邊固定長度58mm-LDV逆壓電掃頻 62 圖 5-8 單邊固定長度58mm之阻抗頻譜 62 圖 5-9 單邊固定長度58mm -FEM與正壓電效應下ESPI之模態比較 64 圖 5-10 單邊固定長度58mm-LDV正壓電掃頻 65 圖 5-11 單邊固定長度58mm-輸出電壓掃頻 65 圖 5-12 單邊固定長度58mm之模態綜合比較 66 圖 5-13 單邊固定長度60mm -FEM與逆壓電效應下ESPI之模態比較 69 圖 5-14 單邊固定長度60mm-LDV逆壓電掃頻 70 圖 5-15 單邊固定長度60mm之阻抗頻譜 70 圖 5-16 單邊固定長度60mm-FEM與正壓電效應下ESPI之模態比較 72 圖 5-17 單邊固定長度60mm-LDV正壓電掃頻 73 圖 5-18 單邊固定長度60mm-輸出電壓掃頻 73 圖 5-19 單邊固定長度60mm之模態綜合比較 74 圖 5-20 雙邊固定長度57mm之示意圖 76 圖 5-21 雙邊固定長度57mm-FEM與逆壓電效應下ESPI之模態比較 77 圖 5-22 雙邊固定長度57mm-LDV逆壓電掃頻 77 圖 5-23 雙邊固定長度57mm之阻抗頻譜 78 圖 5-24 雙邊固定長度57mm-FEM與正壓電效應下ESPI之模態比較 79 圖 5-25 雙邊固定長度57mm-LDV正壓電掃頻 79 圖 5-26 雙邊固定長度57mm-輸出電壓掃頻 80 圖 5-27 雙邊固定長度57mm之模態綜合比較 80 圖 6-1 厚度1mm支架底座尺寸示意圖 83 圖 6-2 厚度1mm彈性支架組合後示意圖 84 圖 6-3 虎夾夾持示意圖 84 圖 6-4 LDV量測位置 85 圖 6-5 厚度1mm支架-FEM與逆壓電效應下ESPI之模態比較 86 圖 6-6 厚度1mm支架-LDV逆壓電掃頻 88 圖 6-7 厚度1mm支架之阻抗頻譜 88 圖 6-8 厚度1mm支架-FEM與正壓電效應下ESPI之模態比較 90 圖 6-9 厚度1mm支架-LDV正壓電掃頻 92 圖 6-10 厚度1mm支架-輸出電壓掃頻 92 圖 6-11 厚度1mm支架之模態綜合比較 93 圖 6-12 厚度0.58mm支架-FEM與逆壓電效應下ESPI之模態比較 97 圖 6-13 厚度0.58mm支架-LDV逆壓電掃頻 100 圖 6-14 厚度0.58mm支架之阻抗頻譜 100 圖 6-15 厚度0.58mm支架-FEM與正壓電效應下ESPI之模態比較 101 圖 6-16 厚度0.58mm支架-LDV正壓電掃頻 104 圖 6-17 厚度0.58mm支架-輸出電壓掃頻 104 圖 6-18 厚度0.58mm支架之模態綜合比較 105 圖 7-1 單邊雙彈簧組合後示意圖 110 圖 7-2 鋁質底座尺寸 110 圖 7-3 ㄇ型彈簧架尺寸 111 圖 7-4 單邊雙彈簧-虎夾夾持示意圖 111 圖 7-5 單邊雙彈簧-FEM與逆壓電效應下ESPI之模態比較 113 圖 7-7 單邊雙彈簧阻抗頻譜 115 圖 7-8 單邊雙彈簧-FEM與正壓電效應下ESPI之模態比較 118 圖 7-9 單邊雙彈簧-LDV正壓電掃頻 119 圖 7-10 單邊雙彈簧-輸出電壓掃頻 119 圖 7-11 單邊雙彈簧模態綜合比較 121 圖 7-12 雙邊彈簧鋁質底座尺寸 123 圖 7-13 雙邊彈簧ㄇ型彈簧架尺寸 123 圖 7-14 雙邊雙彈簧組合後示意圖 124 圖 7-15 雙邊雙彈簧-FEM與逆壓電效應下ESPI之模態比較 125 圖 7-16 雙邊雙彈簧逆壓電掃頻 126 圖 7-17 雙邊雙彈簧阻抗頻譜 126 圖 7-18 雙邊雙彈簧正壓電模態振型-FEM與ESPI 128 圖 7-19 雙邊雙彈簧-LDV正壓電掃頻 129 圖 7-20 雙邊雙彈簧-輸出電壓掃頻 129 表目錄 表 2-1 壓電陶瓷雙晶片材料常數 18 表 2-2 壓電陶瓷雙晶片中間層銅金屬材料常數 18 表 5-1 單邊固定長度58mm之實驗與模擬結果比較 67 表 5-2單邊固定長度60mm之實驗與模擬結果比較 75 表 5-3 雙邊固定長度57mm之定實驗與模擬結果比較 81 表 6-1厚度1mm支架之實驗與模擬結果比較 95 表 6-2厚度0.58mm支架之實驗與模擬結果比較 107 表 7-1單邊雙彈簧模擬、理論、實驗之共振頻率比較-逆壓電 116 表 7-2單邊雙彈簧模擬、理論、實驗之共振頻率比較-正壓電 120

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