Источник питания беспроводных устройств информационно-измерительных и управляющих систем на основе усовершенствованного пьезоэлектрического виброгенератора 

Виталий Анатольевич Бардин, кандидат технических наук, доцент кафедры приборостроения, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40), E-mail: vit-bardin@yandex.ru
Вадим Сергеевич Волков, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры приборостроения, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40), E-mail: vadimv_1978@mail.ru
Сергей Николаевич Базыкин, доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой приборостроения, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40), E-mail: cbazykin@yandex.ru
Нелли Александровна Базыкина, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры теоретической и прикладной механики и графики, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40), E-mail: nelli.baz@mail.ru
Кристина Сергеевна Самохина, кандидат технических наук, доцент кафедры приборостроения, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40), E-mail: kristina.bazykina@mail.ru
Илья Николаевич Урваев, аспирант, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40), E-mail: iurvaev@mail.ru 

Актуальность и цели. В последние годы ведется поиск альтернативных источников электроэнергии, которые используют природные и техногенные источники энергии, такие как солнечное излучение, движение воды, ветер, вибрации и др. В настоящее время солнечные батареи и ветрогенераторы находят широкое применение в различных отраслях промышленности. Однако существуют также объекты с малым энергопотреблением, такие как мелкая бытовая техника, мобильные телефоны, беспроводные системы для диагностики и мониторинга технического состояния объектов, другие автономные системы. Целью исследования является разработка пьезоэлектрического генератора изгибного типа с чувствительным элементом, сделанным из материала цирконат-титанат свинца с помощью микроэлектронной кремниевой технологии. Материалы и методы. Для исследования характеристик пьезоэлектрических генераторов изгибного типа были использованы методы расчета электрических цепей переменного тока, теории колебаний, а также схемотехническое моделирование эквивалентных электрических цепей при помощи программы MathCad, методы решения дифференциальных уравнений. Результаты. Была решена задача увеличения выходной мощности путем нахождения длины электрода, равной x ≈ 0,44∙L (L – длина балки), т.е. покрывающего 44 % балки от зажатого конца; определены оптимальные геометрические параметры: длина L = 60 ∙ 10–3 м, ширина W = 3 ∙ 10–3 м, толщина пьезоэлектрического слоя H = 1,5 ∙ 10–6 м, толщина подложки h = 250 ∙ 10–6 м. В результате получена максимальная выходная мощность балочного пьезогенератора, достигающая 9,2 мкВт. Выводы. Проведено математическое моделирование зависимостей мощности от геометрических параметров и получены соответствующие графики. Рассчитаны из условия прочности момент сопротивления, максимальный момент в сечении, сила, действующая на балку. Разработан пьезоэлектрический генератор изгибного типа с чувствительным элементом, изготовленным из материала цирконат-титанат свинца с помощью микроэлектронной кремниевой технологии. 

Ключевые слова

пьезоэлектрический преобразователь энергии, виброгенератор, беспроводной источник питания 

 Скачать статью в формате PDF

Для цитирования:

Бардин В. А., Волков В. С., Базыкин С. Н., Базыкина Н. А., Самохина К. С., Урваев И. Н. Источник питания беспроводных устройств информационно-измерительных и управляющих систем на основе усовершенствованного пьезоэлектрического виброгенератора // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2024. № 3. С. 98–114. doi: 10.21685/2072-3059-2024-3-10