تاثير گره‌هاي كرنشي در برداشت انرژي تير پيزوالكتريك با تحريك مودهاي ارتعاشي

The Effect of Strain Nodes on the Energy Harvesting of the Cantilever Piezoelectric Beam with the Vibration Mode Excitation

برداشت انرژي الكتريكي از تير يكسردرگير پيزوالكتريك با تحريك مودهاي ارتعاشي حاصل مي گردد. مودهاي ارتعاشي داراي گره هاي كرنشي مي باشند كه توزيع كرنش در راستاي تير در اين نقاط تغيير علامت مي دهد. مودهاي ارتعاشي تير يكسردرگير بجز اولين مود داراي گره هاي كرنشي مشخصي مي باشند. از نظر تئوري و هم تجربي نشان داده مي شود كه گره هاي كرنشي مودهاي ارتعاشي با الكترودهاي پيوسته باعث حذف ولتاژ خروجي الكتريكي مي گردد. اگر از الكترودهاي جدا شده به جاي الكترودهاي پيوسته استفاده شود ولتاژ خروجي ناشي از تحريك دومين مود مي تواند به طور قابل توجهي افزايش يابد. با استفاده از تئوري قانون گوس در معادله مدار لايه پيزوالكتريك تحت خمش ديناميكي، پاسخ ولتاژ ناشي از جفت شدگي الكترومكانيك حاصل مي گردد. يكي از پارامترهاي موثر در پاسخ ولتاژ، ترم جفت شدگي مودال مي باشد كه علاوه بر وابستگي به هندسه، جنس و پارامترهاي پيزوالكتريك تير برداشت كننده انرژي، به تابع ويژه شيب خمش محاسبه شده در مرزهاي الكترودها نيز وابسته است. اگر شيب ها در مرزهاي الكترودهاي پيوسته براي شكل مود مربوطه به يكديگر نزديك باشند، خروجي الكتريكي در آن مود بسيار كوچك خواهد بود. در اين پژوهش با روش هاي تئوري و تجربي تاثير گره‌هاي كرنشي در برداشت انرژي از تير يكسردرگير پيزوالكتريك در حالات فركانس تحريك تشديد و غير تشديد مورد بررسي واقع مي گردد. در عين حال تاثير بار مقاومتي بر روي نتايج ولتاژ و توان خروجي و حصول بار مقاومتي بهينه مورد توجه قرار مي گيرد.

The energy harvesting of a piezoelectric cantilever beam is obtained from the excitation of vibration modes. Vibration modes have strain nodes where the strain distribution changes in the direction of the beam length. Covering the strain nodes of the vibration modes with continuous electrodes effects a cancellation of the voltages outputs. The use of segmented electrodes prevents voltage cancellations for multi-mode vibration. The theory of Gauss law is presented for the voltage response due to the electro mechanic coupling. The effective parameter in the voltage response is the modal coupling term. This parameter depends on geometry, material, piezoelectric coefficients and the Eigen function of bending slope. If the slopes of the electrodes boundaries are close together, the electric response of vibration mode is very small. The resistive load affects the voltage and generated power. The optimum resistive load is considered for segmented and continuous electrodes, and then the power output is verified. One of the effective parameters on energy harvesting performance is the existence of concentrated mass. This topic is studied in this paper. Resonance and off-resonance cases are considered for the harvester. In this paper, both theoretical and experimental methods are used for satisfactory results.