T E L KO M NIK A In d o n e s i a n  J o u r n a l o f   E le c t r ic a E n g in e e r in g V o l . 1 5 , No . 3 , S e p te m b e r 2 0 1 5 , p p . 4 5 2 ~ 4 5 7 DO I: 1 0 . 1 1 5 9 1 /t e l k o m n i k a .v 1 5 i 3 . 8 4 2 0 4 5 2 Re c e i v e d A p r i l   2 0 2 0 1 5 ; R e v i s e d J u l y  2 9 , 2 0 1 5 A c c e p te d A u g u s t 1 4 , 2 0 1 5 V eh icle S e n so r   S elf - P o w er ed  T ech n o lo g y  Res e ar ch Based   o n  P iez o elect r ic S a n g  Y in g - J u n 1 , W u  S h a n g g u a n g 1 , L i M a n 1 , G a o  Y a n g 1 , L i Ha o x i a n g 1 , Hu a n g   F e i 1 Ha o  Y u n - Ro n g 2 , F a n  Y u a n - Y u a n 2 1 F a c u l t y   o f   E l e c t r o n i c   a n d   El e c t ri c a l   En g i n e e ri n g ,   H u a i y i n   I n s t i t u t e   o f   T e c h n o l o g y ,   H u a i a n 2 2 3 0 0 3 ,   C h i n a 2 F a c u l t y   o f   M a t h e m a t i c s   a n d   Ph y s i c s ,   H u a i y i n   I n s t i t u t e   o f   T e c h n o l o g y ,   H u a i a n   2 2 3 0 0 3 ,   C h i n a C o rre s p o n d i n g   a u t h o r , e - m a i l :   s a n g y i n g j @ 1 6 3 . c o m Ab s t r a c t As   a   re s u l t   o f   t h e   e l e c t ri c   v e h i c l e s   p o p u l a ri t y   a n d   t h e   d e v e l o p m e n t   o f   v e h i c l e s   i n t e l l i g e n t ,   t h e n u m b e o f   v e h i c l e   s e n s o rs   s u rg e ,   m e a n w h i l e ,   m a n y   d e f e c t s   o f   t ra d i t i o n a l   e n e rg y   s u p p l y   a re   i n c r e a s i n g l y p ro m i n e n t ,   s u c h   a s   p o l l u t i o n   a n d   m a i n t e n a n c e   d i f f i c u l t i e s .   T a k i n g   i n t o   a c c o u n t   t h e   v e h i c l e   v i b ra t i o n   e x i s t e v e r y w h e re ,   w e   u s e   t h e   p i e z o e l e c t ri c   t e c h n o l o g y   t o   c o l l e c t   v i b ra t i o n   e n e r g y ,   a n d   d e s i g n s   a   p i e z o e l e c t ri c v i b ra t i o n   e n e rg y   h a r v e s t i n g   s y s t e m   t o   b e   u s e d   t o   s o l v e   t h e   e n e rg y   p ro b l e m   o f   m i c ro - p o w e s e n s o r .   I n t h i s p a p e r,   t h e   s y s t e m   s t ru c t u re   a n d   t h e   t h e o r e t i c a l   m o d e l   a re   a n a l y z e d ,   a n d   t h e   m a t h e m a t i c a l   m o d e l   o f   t h e s y s t e m   v i b ra t i o n   f re q u e n c y   a n d   t h e   p i e z o e l e c t ri c   o u t p u t   h a v e   b e e n   p u t   f o rw a rd ,   t h e n   a   p i e z o e l e c t ri c   e n e rg y h a rv e s t i n g   d e v i c e   i s   d e s i g n e d   o n   t h e   b a s i s o f   s i m u l a t i o n   a n a l y s i s .   E x p e ri m e n t s   h a v e   b e e n   d o n e   t o   t e s t   t h e p e rf o rm a n c e   o f   i t s   p o w e g e n e ra t i o n   i n   t h e   c a s e   o f   r e s o n a n c e .   T h e   re s u l t s   s h o w e d   t h a t   t h e   t h e o re t i c a l m o d e l   p ro p o s e d   i n   t h i s   p a p e c a n   b e   a   g o o d   p re d i c t o o f   t h e   o u t p u t   c h a ra c t e r i s t i c s   o f   t h e s y s t e m .   As   t h e re s o n a n c e   f r e q u e n c y   i s   1 6 . 5   H z ,   a c c e l e ra t i o n   i s   0 . 5 g ,   t h e   m a x i m u m   o p e n   c i rc u i t   v o l t a g e   o f   t h e   s y s t e m o b t a i n e d   i s 3 . 5 v o l t s ,   t h e   o p t i m u m   l o a d   re s i s t a n c e   i s   4 2 5 k Ω,   a n d   t h e   v i b ra t i o n   e n e rg y   c o l l e c t i o n   d e v i c e m a x i m u m   l o a d   p o w e i s   1 4   u W .   C o n c l u s i o n :   G re a t e e n e r g y   c o u l d   b e   c a u g h t   t o   m e e t   t h e v e h i c l e   s e n s o r p o w e s u p p l y   n e e d s   w i t h   t h e   u s e   o f   s u p e c a p a c i t o r. K e y w o r d s : e n v i ro n m e n t a l   v i b r a t i o n ,   p i e z o e l e c t ri c ,   c a n t i l e v e r,   e n e rg y   c o n v e rs i o n , l o a d   p o w e r C o p y r i g h t © 2 0 1 5 I n s ti tu t e   o f   A d v a n c e d En g i n e e r i n g   a n d   Sc i e n c e .   A l l   r i g h t s   r e s e r v e d . 1 . In t r o d u c t io n W i th   th e   d e v e l o p m e n o f   th e   i n t e l l i g e n e l e c tr i c   c a r s   a n d   a u to   s e n s o r   m i n i a tu r i z a t i o n th e n u m b e r   o s e n s o r s   w i l l   d r a m a ti c a l l y   i n c r e a s e   a n d   th e   s e n s o r s   w i l l   s p r e a d   a r o u n d   th e   c a r No d i n g e n e r g y   p r o b l e m   o f   a   l a r g e   n u m b e r   o m i c r o   s e n s o r s   i s   b e c o m i n g   o n e   o f   th e   p r o b l e m s   to   b e s o l v e d   i n   a   h u r r y [ 1 2 ] P e o p l e   h o p e   t h a th e y   c a n   c o l l e c e n e r g y   f r o m   th e   e l e c tr i c   c a r s   v i b r a t i o n e n v i r o n m e n a n d   a f te r   tr a n s f o r m a ti o n   o f   s e n s o r s th e   e n e r g y   c a n   s u p p l y   p o w e r Ha r v e s ti n g v i b r a ti o n   e n e r g y   i s   a   p o p u l a r   w a y w h i c h   i s   c u r r e n tl y   s tu d y i n g   te c h n o l o g y th i s   wa y   o f   p o w e r s u p p l y  c a n   p r o l o n g  th e  l i f e   o f  l o w   p o we r  c o n s u m p ti o n   e q u i p m e n t a n d  c a n  n o t r e l y  o n  b a t te r i e s  o r wi r i n g  h a r n e s s  to  s e p a r a te   th e  p o w e r  s u p p l y   e q u i p m e n t [3 ] . It  i s   f e a s i b l e   t o   c o n v e r th e   e n e r g y   o f   e n v i r o n m e n ta l   v i b r a ti o n   i n to   e l e c tr i c a l   e n e r g y ,   a n d th e   v i b r a ti o n   i s   e v e r y wh e r e ,   a n d   th e   e n e r g y   o f   th e   v e h i c l e   c a n   b e   r e c o v e r e d   f r o m   t h e   v e h i c l e .   A t p r e s e n t,  t h e r e   we r e   r e p o r te d   o n   t h e   u s e   o f   d i f f e r e n t e n e r g y   h a r v e s ti n g   m e th o d s   t o   i m p r o v e   th e e f f i c i e n c y   o f   th e   v i b r a t i o n   e n e r g y   c o l l e c t i o n   i n   a   l o t   o f   l i te r a tu r e [ 4 ,5 ] B e c a u s e   o f   th e   h i g h a v a i l a b i l i t y ,   g o o d   p e r f o r m a n c e   a n d   h i g h   o u t p u t   v o l t a g e [6 ] i i s   wi d e l y   c o n c e r n e d   a b o u th e   n e w te c h n o l o g y   o f  u s i n g   p i e z o e l e c tr i c  e f f e c t to  d e a l   w i t h  e n e r g y . P i e z o e l e c tr i c   v i b r a t i o n   e n e r g y   h a r v e s t i n g   s y s te m   c a n   b e   u s e d   t o   s o l v e   t h e   p r o b l e m   o f m i c r o   p o w e r   s e n s o r [ 7 8 ] I n   th i s   p a p e r ,   a   v i b r a t i o n   e n e r g y   h a r v e s ti n g   d e v i c e   i s   d e s i g n e d wh i c h i s   b a s e d   o n   th e   c o m b i n a ti o n   o f   r e s o n a n c e   a n d   p i e z o e l e c tr i c   te c h n o l o g y ,   a n d   th e   p o w e r g e n e r a ti o n   p e r f o r m a n c e   i s   te s te d E x p e r i m e n ta l   r e s u l t s   s h o th a t,  a t   th e   r e s o n a n c e   f r e q u e n c y o f   1 6 .5   H z a c c e l e r a t i o n   i s   0 .5 g th e   m a x i m u m   o p e n   c i r c u i v o l ta g e   o f   s y s t e m   i s   3 .5   V i n   th e o p ti m a l   l o a d   r e s i s ta n c e   to   4 2 5   k Ω,  th e   m a x i m u m   l o a d   p o we r   o f   v i b r a ti o n   e n e r g y   c o l l e c ti o n d e v i c e   i s  1 4   u W , s y s te m   m o d e l   w e l l  r e f l e c ts  th e   o u tp u t  c h a r a c te r i s ti c s  o f  th e  s y s te m . 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T E L KO M NIK A IS S N: 2 3 0 2 - 4 0 4 6 V e h i c l e   S e n s o r  S e l f - P o w e r e d T e c h n o l o g y  Re s e a r c h  B a s e d  o n  P i e z o e l e c tr i c ( S a n g  Y i n g - J u n ) 4 5 3 2 . T h e S y s t e m  S t r u c t u r e a n d M a t h e m a t ic a l M o d e l 2 .1 . T h e S y s t e m   S t r u c t u r e a n d P r in c ip l e T h e p i e z o e l e c tr i c   e n e r g y   h a r v e s ti n g   d e v i c e   b a s e d   o n   v i b r a ti o n   c a n   b e   d e s c r i b e d   b y   th e s tr u c tu r e   s h o wn   i n   F i g u r e 1 ( a ) T h e   d e v i c e   i s   c o m p o s e d   o f   a   p i e z o e l e c tr i c   c a n ti l e v e r   b e a m   w i t h a   m a s s   b l o c k   a th e   e n d M a s s   b l o c k s   a r e   u s e d   to   e x c i te   a n d   a d j u s th e   r e s o n a n c e   f r e q u e n c y . T h e   v i b r a t i o n   o f   c a n ti l e v e r   b e a m   i s   c a u s e d   b y   e x t e r n a l   v i b r a t i o n T h e   p i e z o e l e c tr i c   p l a t e g e n e r a te s   c h a r g e   w h e n   i i s   s u b j e c te d   to   a n   a c ti o n   o f   s tr e s s w h i c h   i s   i n te g r a te d   w i th   th e   t wo p a r t o f  th e   e n e r g y   to   i n c r e a s e  th e  t o ta l  e n e r g y  o f  th e  o u t p u t . 2 .2 . M a t h e m a t ic a l M o d e l P i e z o e l e c tr i c   c a n ti l e v e r   b e a m   s tr u c tu r e   i s   m o s s e n s i ti v e   to   th e   a m b i e n v i b r a t i o n p r o n e to   f o r c e d   v i b r a ti o n ,   w h e n   t h e   v i b r a ti o n   m e c h a n i c s   a n a l y s i s th e   v i b r a t i o n   m o d e l   c a u s e d   b y   th e c a n ti l e v e r   b e a m   u n d e r   e x te r n a l   e x c i ta t i o n   v i b r a t i o n   c a n   b e   d e s c r i b e d   u s i n g   s p r i n g - m a s s - d a m p i n g   s i n g l e   d e g r e e   o f   f r e e d o m   s y s te m   m o d e l   [ 2 ]   a s   s h o wn   i n F i g u r e 1 ( b ) T h e   m o d e l   o f v i b r a ti o n  s y s t e m  i s : 2 n n ( ) 2 ( ) ( ) ( ) z t ξ ω z t ω z t y t & & & & & ( 1 ) In  th e  f o r m u l a ( 1 ) , y ( t ) = B a s e d  o n  th e  e x te r n a l  e n v i r o n m e n t v i b r a t i o n  d i s p l a c e m e n t z ( t ) = R e l a ti v e  v i b r a t i o n  d i s p l a c e m e n t o f  m a s s ξ = T h e  d a m p i n g  r a t i o / 2 ξ c k m c Re p r e s e n t d a m p ω n =   T h e   a n g u l a r   f r e q u e n c y   o f   th e   f u n d a m e n ta l   o s c i l l a ti o n   s y s t e m n / ω K m K   i s e ffe c ti v e   e l a s ti c c o e ff i c i e n t   s y s te m m = m + 0 . 2 3 6 M [ 3] m   i s   th e   q u a l i ty   o th e m a s s M i s th e  q u a l i t y   o f  th e  c a n t i l e v e r   b e a m . ( a ) T h e  s tr u c tu r e  o f  th e  c a n ti l e v e r  b e a m   m o d e l ( b )  S p r i n g M a s s Da m p i n g   M o d e l F i g u r e 1 . U n e q u a l  m o d e l  o f  s i n g l e  c r y s ta l  C V P G A c c o r d i n g  t o  t h e  c r o s s  s e c ti o n  c o n v e r s i o n  m e th o d [ 4 ] a n d  m o m e n t o f  i n e r ti a   p a r a l l e l   a x i s th e o r e m [5 ] u s i n g   t h e   e q u i v a l e n s e c t i o n   i n e r ti a   m o m e n I 1 I2   e q u a ti o n   o f   c a n ti l e v e r   b e a m   i n th e   x   =   0   ~   L P a n d   x   =   L P ~   L e s e c ti o n c o m b i n e d   w i th   s tr u c tu r a l   m e c h a n i c s   th e o r y [4 ] , i i s   s h o w s th a t t h e  c a n ti l e v e r  b e a m  s y s te m  e f f e c ti v e  e l a s ti c  c o e f f i c i e n i s : 1 2 3 3 3 2 1 3 ( ( ) ) ( ) Y I I K l l l I l l I p e e p e p ( 2 ) Us i n g   th e   s y s te m   f u n d a m e n ta l   f r e q u e n c y a n g u l a r   f r e q u e n c y   o f   v i b r a t i o n   f o r m u l a   we   c a n k n o w . p 1 2 n 1 1 3 3 3 e e p 2 e p 1 3 [ ( ( ) ) ( ) ] ( Δ 0 . 2 3 6 ) Y I I K ω K K m l l l I l l I m M ( 3 ) 1 K = F r e q u e n c y  c o r r e c ti o n  f a c to r . Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IS S N: 2 3 0 2 - 4 0 4 6 T E L KO M NIK A V o l 1 5 , No . 3 , S e p t e m b e r 2 0 1 5 : 4 5 2 4 5 7 4 5 4 T h e   p i e z o e l e c tr i c   E q u a ti o n   [5 s h o w s   th a w h e n   th e   c a n ti l e v e r   b e a m   i s   s u b j e c te d   to   th e i n e r t i a l   f o r c e   o f   Z   d i r e c ti o n ,   th e   p i e z o e l e c tr i c   l a y e r   wi l l   g e n e r a te   te n s i o n   a n d   c o m p r e s s i o n   i n   th e X  d i r e c ti o n , a n d  t h e  c o u p l i n g  e l e c tr i c  f i e l d  i s  f o r m e d  i n  t h e  Z  d i r e c ti o n . F o r  th e  p i e z o e l e c tr i c  s tr a i n δ = d 31 E 3 i c a n   b e   e q u i v a l e n to   a   c o n c e n tr a te d   f o r c e   a th e   e n d   o f   a   c a n ti l e v e r   b e a m   F E In f o r m u l a   ( 1 ) , a f te r  a d d i n g  a n  e l e c tr i c  f i e l d  f o r c e w e c a n   g e t : E ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) m z t c z t K z t m y t F t & & & & & ( 4 ) A c c o r d i n g   to   th e   e q u a t i o n   a n d   r e l a t i o n s h i p   s tr a i n   a n d   b e n d i n g   m o m e n t,  w e   c a n   g e t F E = k 1 U 3 1 p 1 1 b p p p ( ) ( ) 4 2 2 d Y I k l l t d t . T h e  F E s u b s ti tu t e d   i n t o  th e  f o r m u l a   ( 4 )  w e  c a n  g e t : 2 1 2 2 n n / 2 ω y k U m z ω j ξ ω ω ω ( 5 ) A c c o r d i n g   to th e   p r i n c i p l e   o f   th e r m a l   e q u i l i b r i u m ,   th e   p i e z o e l e c tr i c   l a y e r   c a n   b e r e p r e s e n te d   b y   th e   to t a l   e n e r g y   o f   th e   s y s te m [6 ] p r o d u c e d   b y   th e   i n f i n i t e s i m a l   u n i t,  t h e n   u s i n g th e   r e l a ti o n s h i p   b e t w e e n   c a n ti l e v e r   b e a m   b y   e x te r n a l   f o r c e s   a n d   th e   r e l a t i v e   d i s p l a c e m e n t z [7 , 8 ] th e   r e l a ti o n s h i p   b e t w e e n   th e   v i b r a t i o n   a c c e l e r a ti o n   a n d   o p e n   c i r c u i v o l t a g e   o f   P i e z o e l e c tr i c v i b r a ti o n   g e n e r a to r  u n d e r   t h e  e n v i r o n m e n ta l v i b r a t i o n   e x c i ta ti o n i s : 2 2 P o 2 2 n n p j 2 ( 1 ) i n K k K A C V ω ξ ω ω ω k ( 6 ) A i n = Re p r e s e n t i n g  th e  e x te r n a l  e x c i t a t i o n   o f  v i b r a ti o n   a c c e l e r a ti o n , A i n = ω 2 y . 2 K = V o l ta g e  c o r r e c ti o n  f a c to r . 3 . S i m u la t io n   A n a l y s i s Us i n g   M A T L A B   s o f twa r e   to   n u m e r i c a l   s i m u l a ti o n   f o r   P i e z o e l e c tr i c   m o d e l th e r e l a t i o n s h i p   b e t w e e n   th e   p i e z o e l e c tr i c   c a n ti l e v e r   r e s o n a n c e   f r e q u e n c y c a n t i l e v e r   l e n g th th e wi d t h   o f   th e   c a n t i l e v e r ,   th e   l e n g t h   o f   th e   m a s s th e   h e i g h o f   th e   m a s s   a n d   s tr u c tu r a l   p a r a m e te r s o f  p i e z o e l e c tr i c  c e r a m i c s  i s  s h o w e d   i n   th e F i g u r e 2 . F r o m   t h e F i g u r e 2 ( a )   i c a n   b e   s e e n   t h a r e s o n a n c e   f r e q u e n c y   i s   d e c r e a s e d   wi th   t h e i n c r e a s e   o f   th e   l e n g th   o f   th e   p i e z o e l e c tr i c   c e r a m i c   p i e c e   w h e n   th e   l e n g th   o f   th e   c a n ti l e v e r   b e a m q u a l i t y   p i e c e   i s   c e r ta i n r e s o n a n c e   f r e q u e n c y   i s   d e c r e a s e d   w i th   th e   i n c r e a s e   o f   th e   l e n g t h   o f   th e m a s s   w h e n   t h e   l e n g th   o f   p i e z o e l e c tr i c   c e r a m i c s   i s   u n d e r   c e r ta i n   c i r c u m s ta n c e s F r o m   th e F i g u r e 2 ( b )   i c a n   b e   s e e n   th a th e   r e s o n a n f r e q u e n c y   o f   a   p i e z o e l e c tr i c   c a n ti l e v e r   b e a m   i s   i n c r e a s e d wi th   th e   i n c r e a s e  o f  p i e z o e l e c tr i c  c e r a m i c  c h i p  t h i c k n e s s  a n d  t h e  t h i c k n e s s  o f  th e  m e ta l  g a s k e t . F r o m  th e F i g u r e 2 ( c ) , i t c a n  b e  s e e n  t h a wh e n  th e  h e i g h t o f  th e  s m a l l  m a s s  i s  s a m e , th e r e s o n a n c e   f r e q u e n c y   o f   th e p i e z o e l e c tr i c c a n ti l e v e r   b e a m   i n c r e a s e s   wi th   th e   i n c r e a s e   o f   th e wi d t h   o f   th e   c a n ti l e v e r   b e a m w h i l e   th e   wi d th   o f   th e   c a n t i l e v e r   b e a m   i s   d e te r m i n e d , th e r e s o n a n c e   f r e q u e n c y   o f   p i e z o e l e c tr i c   c a n t i l e v e r   b e a m   d o e s   n o c h a n g e   a s   th e   c h a n g e   o f   th e h e i g h o f  th e  s m a l l  m a s s . Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NIK A IS S N: 2 3 0 2 - 4 0 4 6 V e h i c l e   S e n s o r  S e l f - P o w e r e d T e c h n o l o g y  Re s e a r c h  B a s e d  o n  P i e z o e l e c tr i c ( S a n g  Y i n g - J u n ) 4 5 5 ( a )  T h e  r e l a ti o n s h i p  b e t we e n  r e s o n a n t f r e q u e n c y - l e n g th   o f  p i e z o e l e c tr i c  c e r a m i c p i e c e - l e n g th   o f  th e  m a s s ( b )  T h e  r e l a ti o n s h i p  b e t we e n  r e s o n a n t f r e q u e n c y - t h i c k n e s s  o f  p i e z o e l e c tr i c  c e r a m i c p l a t e - th i c k n e s s  o f  g a s k e t ( c )   T h e  r e l a t i o n s h i p b e t we e n  r e s o n a n c e  f r e q u e n c y - th e  wi d t h  o f  p i e z o e l e c tr i c  c e r a m i c  p i e c e - h e i g h o f  s m a l l  m a s s F i g u r e 2 . R e s o n a n c e  f r e q u e n c y   a n d  c a n ti l e v e r   b e a m  s tr u c tu r e  p a r a m e te r s 4 . T e s t  a n d  a n a l y s is  o f s y s t e m  p e r f o r m a n c e 4 .1 . D e s ig n   a n d  E x p e r im e n t T h e   s i m u l a ti o n a n a l y s i s   s h o w s   th e   r e s o n a n c e   f r e q u e n c y   o f   th e   d e v i c e   i s   a s s o c i a t e d   w i t h th e   s tr u c tu r e   p a r a m e te r s o th e   c a n t i l e v e r   a r m B y   c h a n g i n g   t h e   p a r a m e te r s   o f   th e   p i e z o e l e c tr i c s h e e a n d   th e   s u b s tr a te   s h e e t,  s u c h   a s   l e n g th wi d t h th i c k n e s s   e tc th e   r e s o n a n t   f r e q u e n c y   o f th e  s y s t e m  c a n  b e  a d j u s te d . T h e  S y s t e m  r e s o n a n t f r e q u e n c y   i s  d e s i g n e d   1 2  H z C o m b i n i n g   wi t h th e   s i m u l a t i o n   a n a l y s i s we   d e t e r m i n e   th e   s i z e   p a r a m e te r s   o f   th e   p i e z o e l e c tr i c   c a n ti l e v e r   b e a m a s  th e  T a b l e 1  s h o w i n g : T a b l e 1 . T h e  p a r a m e te r s  o f th e   p i e z o e l e c tr i c  e n e r g y   h a r v e s ti n g  d e v i c e s T h e   p a r a m e t e r   n a m e v a l u e T h e   p a r a m e t e r   n a m e v a l u e T h e   l e n g t h   o f   t h e   c a n t i l e v e r   b e a m   ( m m ) 5 5 T h e   w i d t h   o f   t h e   c a n t i l e v e r   b e a m   ( m m ) 3 0 T h e   l e n g t h   o f   t h e   p i e z o e l e c t r i c   e l e m e n t   ( m m ) 4 0 T h e   w i d t h   o f   t h e   p i e z o e l e c t r i c   e l e m e n t ( m m ) 3 0 T h e   t h i c k n e s s   o f   t h e   p i e z o e l e c t r i c   l a y e r   ( m m ) 0 . 1 T h e   w e i g h t   o f   t h e   m a s s   (   g ) 1 8 T h e   t h i c k n e s s   o f   t h e   s u b s t r a t e   ( m m ) 0 . 1 5 T h e   h e i g h t   o f   t h e   m a s s m m 1 5 In   o r d e r   to   c o l l e c a n d   a n a l y z e   d a ta   e a s i l y w e   u s e   th e   v i r tu a l   s i g n a l   g e n e r a to r   to g e n e r a te   a  s i n e   w a v e .   W e   wi l l  p r o g r a m  to  r e a l i z e  th e  a d j u s t m e n t o f  th e  s i n e   wa v e   f r e q u e n c y   a n d th e   a m p l i tu d e T h r o u g h   t h e   d i g i t a l   to   a n a l o g   c o n v e r te r   ( /A )   e x c i ta t i o n   s o u r c e   w e   c a n   s i m u l a t e e x te r n a l   v i b r a ti o n   s o u r c e .   T h e   p i e z o e l e c tr i c   c a n t i l e v e r   b e a m s tr u c tu r e   w h i c h   o u t p u v o l ta g e v i b r a ti n g   wi th   th e   e x c i t e r W e   c o l l e c th e   d a ta   d r a w i n g   a n d   s a v e   i t h r o u g h   t h e   d a ta   a c q u i s i t i o n c a r d   to   a n a l y z e   th e   d a t a s o   w e   c a n   a n a l y z e   t h e r e l a t i o n s h i p   a m o n g   th e   s y s te m   o u tp u v o l ta g e , v i b r a ti o n   a m p l i tu d e   a n d   v i b r a ti o n   f r e q u e n c i e s T h e   s tr u c tu r e d i a g r a m   o f   e x p e r i m e n ta l   s y s te m   i s p r e s e n te d   i n   t h e   F i g u r e 3 ( a ) a n d   th e   e x p e r i m e n ta l p i c tu r e i s   s h o wn   i n   th e   F i g u r e 3 ( b ) th e o s c i l l o s c o p e   d i s p l a y s   a wa v e f o r m   o f   th e   p i e z o e l e c tr i c   o p e n   c i r c u i o u tp u v o l t a g e T h e   e n e r g y 0 2 0 4 0 0 2 0 4 0 0 1 0 2 0 3 0 l e n g t h   o f   t h e   m a s s m m l e n g t h   o f   p i e z o e l e c t r i c c e r a m i c   p i e c e m m   r e s o n a n t   f r e q u e n c y H z 1 0 1 5 2 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 1 6 1 8 2 0 2 2 t h i c k n e s s   o f   p i e z o e l e c t r i c c e r a m i c   p l a t e u m t h i c k n e s s   o f   g a s k e t u m   r e s o n a n t   f r e q u e n c y H z 1 8 1 9 2 0 2 1 4 6 8 1 0 2 0 4 0 6 0 5 1 0 1 5 2 0   h e i g h t   o f   s m a l l   m a s s m m   t h e   w i d t h   o f   p i e z o e l e c t r i c   c e r a m i c   p i e c e m m r e s o n a n c e   f r e q u e n c y H z 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IS S N: 2 3 0 2 - 4 0 4 6 T E L KO M NIK A V o l 1 5 , No . 3 , S e p t e m b e r 2 0 1 5 : 4 5 2 4 5 7 4 5 6 c o n v e r s i o n   c i r c u i i s   c o n s i s o f   DF 0 0 5 S   Re c t i f i e r   B r i d g e 0 . 0 4 7 F   l a r g e   c a p a c i t a n c e s   w h i c h   a r e u s e d  to  s to r e  e l e c tr i c a l  e n e r g y  a n d   v o l ta g e  r e g u l a to r  c i r c u i t c o n s ti t u te d   wi th  T P S 6 2 2 0 0 . ( a ) ( b ) F i g u r e 3 . ( a )  T h e  s tr u c tu r e d i a g r a m  o f  e x p e r i m e n ta l  s y s te m ; ( b )   T h e  e x p e r i m e n ta l p i c tu r e 5 . T h e   A n a l y s i s  o f E x p e r i m e n t a l Re s u lt s T h e   a c q u i s i t i o n   o f   th e   s y s t e m s   th e o r y   s i m u l a ti o n   v a l u e   d o e s n t c o n s i d e r   th e   c a s e   o f   a c o r r e c ti o n  c o e f f i c i e n t. If   K 1 = K 2 = 1 , t h e  th e o r e t i c a l  v a l u e  o f  th e  r e s o n a n c e  f r e q u e n c y  i s   1 6  H z , t h e r e s o n a n t   f r e q u e n c y   m e a s u r e d   b y   th e e x p e r i m e n i s   1 6 .5   H z W h e n   th e v i b r a ti o n   a c c e l e r a t i o n i s 0 .5 g t h e   p e a k   v o l ta g e   o f   th e   p i e z o e l e c tr i c   c a n t i l e v e r   w o r k i n g   i n   th e   r e s o n a n c e   f r e q u e n c y   i s a b o u 3 .5 V wh i c h   i s   l o we r   th a n   t h e   th e o r e ti c a l   v a l u e   o f   4 V   s l i g h t l y T h e   r e l a t i o n   c u r v e   o f   t h e o u tp u p e a k   v o l t a g e   a n d   t h e   v i b r a ti o n   f r e q u e n c y   i s   s h o w n   i n   F i g u r e   4 W e   c a n   s e e   w h e n   t h e v i b r a ti o n   f r e q u e n c y   wi th i n   ( 1 0 - 2 4 H z )   o f   th e   p i e z o e l e c tr i c   c a n t i l e v e r   b e a m   p o we r   g e n e r a t i o n s y s t e m i n   o th e r   w o r d s wh e n   i c l o s e   to   t h e   r e s o n a n c e   f r e q u e n c y c a n   w e   g e h i g h e r   o u t p u t v o l ta g e   w h o s e   p e a k   v o l ta g e   i s   m o r e   th a n   2 ,5 v Ho w e v e r n o   m a tte r   th e   fr e q u e n c y   i s   to o   l a r g e o r to o  s m a l l , o u tp u t  v o l t a g e  i s   s m a l l . T h e   n u m e r i c a l   s i m u l a ti o n   b y   M a tl a b   a n d   P S P I CE   c i r c u i s i m u l a ti o n   h a v e   g i v e n   th e s y s t e m s   o p ti m a l   l o a d   a b o u 5 0 0 K Ω  i n   th e   r e s o n a n f r e q u e n c y w h i l e   4 2 5 K Ω  i s   th e e x p e r i m e n ta l l y   m e a s u r e d   a n d   th e   i n s ta n p o we r   i s   1 4 u W .   s y s te m   l o a d   v o l t a g e   a n d   l o a d r e s i s ta n c e s h o wn   i n   F i g u r e 4   A s   th e   f i g u r e   s h o wn t h e   v a l u e   o f   th e   l o a d   v o l t a g e   i n c r e a s e s   a s th e   l o a d   i n c r e a s e s ,   w h i l e   l o a d   p o we r   i s   r i s i n g   i n   th e   f i r s a n d   a t h e   o p t i m a l   l o a d   r e s i s ta n c e   i s a b o u 4 2 5 K Ω  r e a c h   th e   p e a k T h e   l o a d p o we r   w i l l   d e c r e a s e   wh e n   t h e   l o a d   r e s i s ta n c e   i s   g r e a t e r th a n   4 2 5 K Ω. I i s   s h o wn   i n   th e   e x p e r i m e n ts   th a th e   e x p e r i m e n ta l   v a l u e   i s   h i g h e r   th a n   th e   v a l u e o b ta i n e d   b y   o u r   th e o r y T h e   r e a s o n   i s b e c a u s e   th e   c a n ti l e v e r   f i x e d   b a s e   i n c r e a s e d   to   s o m e e x te n t,   s ta r t - u p   p o r t i o n   o f   th e   c a n t i l e v e r   l e n g t h s o   th a t   th e   r e s o n a n c e   f r e q u e n c y   o f   th e th e o r e t i c a l   v a l u e   o b ta i n e d   i s   s l i g h t l y   l o we r   th a n   t h e   a c tu a l w h i l e   th e   o u tp u v o l t a g e   w i l l   d r o p s l i g h tl y   i s   t h e   m a i n   r e a s o n ,   i n   a d d i ti o n   t o   th e   c a l c u l a t i o n   e r r o r   a n d   e x p e r i m e n t a l   r e a d i n g   e r r o r . Co n s i d e r   th e s e   f a c to r s b a s e d   o n   th e   e x p e r i m e n ta l   r e s u l ts   a n a l y s i s th e   s y s te m   m o d e l   p r o p o s e d a m e n d m e n t,  ta k e   K 1   =   0 .9 7 K 2   =   0 . 8 9 th e   m o d e l   c a n   b e   m o d i f i e d   to   b e tte r   r e f l e c th e   s y s te m s o u tp u t c h a r a c t e r i s ti c s . Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NIK A IS S N: 2 3 0 2 - 4 0 4 6 V e h i c l e   S e n s o r  S e l f - P o w e r e d T e c h n o l o g y  Re s e a r c h  B a s e d  o n  P i e z o e l e c tr i c ( S a n g  Y i n g - J u n ) 4 5 7 ( a ) T h e  r e l a ti o n  c u r v e a b o u t th e   p e a k  o u tp u t v o l ta g e  a n d  f r e q u e n c y   o f  v i b r a ti o n ( b ) T h e  r e l a ti o n  c u r v e   a b o u t s y s t e m  l o a d v o l ta g e  a n d   l o a d  r e s i s ta n c e F i g u r e 4 . T h e  s y s te m  l o a d   v o l ta g e  a n d   l o a d  r e s i s ta n c e 6 . Co n c lu s io n T h i s   a r ti c l e   a i m s   a th e   p o w e r   n e e d s   o f   a u to m o ti v e m i c r o - s e n s o r s p i e z o e l e c tr i c te c h n o l o g y   i s   p r o p o s e d   r e c o v e r y   v e h i c l e   v i b r a t i o n a l   e n e r g y   i n   th e   e n v i r o n m e n t.  T h i s   a r ti c l e s tu d i e s   t h e   m a th e m a ti c a l   m o d e l   b a s e d   o n   p i e z o e l e c tr i c   e n e r g y   h a r v e s t i n g   s y s t e m s a n d s tr u c tu r a l   p a r a m e te r s   o f   th e   s y s te m   a n d   i ts   r e l a t i o n s h i p   r e s o n a n c e   s i m u l a ti o n   a n a l y s i s d e s i g n   a c o m b i n a t i o n   o f   r e s o n a n c e   a n d   v i b r a ti o n   e n e r g y   c o l l e c t i n g   d e v i c e   p i e z o   t e c h n o l o g y th e r e s o n a n c e  f r e q u e n c y   1 6 . 5   H z a c c e l e r a t i o n  o f  0 .5 g , th e  m a x i m u m  o p e n  c i r c u i v o l ta g e   o f  3 .5   V  i s o b ta i n e d   w h e n   th e   o p t i m u m   l o a d   r e s i s ta n c e   i s   a b o u t   4 2 5   k Ω,  v i b r a ti o n   e n e r g y   h a r v e s t i n g   l o a d p o w e r   i s   a b o u t   1 4   u W th e   r e s u l ts   n o t   o n l y   v a l i d a te   th e   th e o r e t i c a l   m o d e l   a c c u r a c y   b u a l s o i n d i c a ti n g   th a t   th e   s y s t e m   c a n   m e e th e   e n e r g y   m o r e   p o we r f u l   b a tc h   m o d e   o f   o p e r a ti o n   o f s u p p l y  a n d d e m a n d  o n - b o a r d  s e n s o r s . A c k n o w le d g m e n t s T h i s   w o r k   wa s   s u p p o r te d   i n   p a r b y   Na ti o n a l   Na tu r a l   S c i e n c e   F o u n d a ti o n   o f   Ch i n a ( G r a n t No .5 1 3 0 7 0 7 0 ) . Re f e r e n c e s [ 1 ] W i l l i a m s   C B,   Y a t e s   R B.   An a l y s i s   o f   a   m i c ro   e l e c t r i c   g e n e ra t o f o m i c ro   s y s t e m s . Se n s o r s   a n d Ac t u a t o rs :   P h y s i c a l . 1 9 9 6 ; 5 2 ( 1 - 3 ) :   8 - 1 1 . [ 2 ] H i b b e l e R C .   M e c h a n i c s   o f   m a t e ri a l s .   U SA: P e a rs o n   Pre n t i c e   H a l l   p u b l i s h e r. 2 0 0 5 . [ 3 ] Y u   H u a , Z h o u   J i e l i n , D e n g   L i c h e n g , W e n Z h i y u .   v i b ra t i o n - b a s e d   M E M p i e z o e l e c t ri c   e n e r g y h a rv e s t e r   a n d   p o w e c o n d i t i o n i n g   c i rc u i t . Se n s o rs . Sw i t z e rl a n d .   2 0 1 4 ; 1 9 ( 1 4 ) : 3 3 2 3 - 3 3 4 1 . [ 4 ] J u n w u   Ka n ,   Ke   H o n g   T a n g ,   Sh u - y u n   W A N G ,   e t   a l .   T h e   p i e z o e l e c t r i c   c a n t i l e v e b e a m   g e n e ra t i n g d e v i c e   m o d e l i n g   a n d s i m u l a t i o n   a n a l y s i s . O p t i c s   a n d   Pr e c i s i o n   En g i n e e r i n g . 2 0 0 8 ;   1 6 ( 1 ) : 7 1 - 7 5 . [ 5 ] X i n g   J i a n g   Z h a o ,   Z h i y u   W e n .   Ad j u s t m e n t   b a s e d   o n   v i b ra t i o n   e n e r g y   c o l l e c t o re s o n a n t   f r e q u e n c y   o f t h e   p i e z o e l e c t r i c   m a t e r i a l . Pi e z o e l e c t ri c   a n d   s o u n d   a n d   l i g h t . 2 0 1 3 ; 3 5 ( 2 ) : 2 4 1 - 2 4 4 . [ 6 ] J i a n g   Bo   Y u a n ,   X i a o Bo   S h a n ,   T a o   X i e . A s i n g l e   c ry s t a l   p i e z o e l e c t ri c   c a n t i l e v e g e n e ra t o r s e x p e ri m e n t s . O p t i c s   a n d   Pr e c i s i o n   En g i n e e r i n g . 2 0 0 9 ; 1 7 ( 5 ) :   1 0 7 2 - 1 0 7 7 . [ 7 ] L i   Q i n g F a n g , L e i   Z h a n g . Si n g l e   c ry s t a l   p i e z o e l e c t r i c   c a n t i l e v e e q u i v a l e n t   v i s c o u s   d a m p i n g   m o d e l i n g a n d   e x p e ri m e n t s . O p t i c s   a n d   Pre c i s i o n   En g i n e e r i n g . 2 0 1 4 ;   2 2 ( 3 ) :   6 4 1 - 6 4 8 . [ 8 ] G u a n g   M i n g   C h e n g ,   X i n h u i   L i ,   H a i b i n   Z h a n g ,   P i n g   Z e n g ,   J i a n   M i n g   W e n .   T h e   e f f e c t   o f   c a n t i l e v e re d b i m o r p h   v i b ra t o r   c l a m p i n g   l e n g t h   c h a n g e   d y n a m i c   c h a ra c t e ri s t i c s . O p t i c s   a n d   Pre c i s i o n   E n g i n e e ri n g . 2 0 1 4 ;   2 2 ( 5 ) :   1 2 9 6 - 1 3 0 3 . 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 0 1 2 3 4   V i b r a t i o n   f r e q u e n c y   ( H z )   T h e   p e a k   o u t p u t   v o l t a g e   ( v ) t h e o r y e x p e r i m e n t 0 5 00 1 00 0 1 50 0 2 00 0 2 50 0 3 00 0 3 50 0 0 1 2 3 L oad   re s i s tan c e   ( ) Lo ad v olta ge  ( v ) theo ry e x p e r im ent Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.