蒲公英状压电振动能量收集装置宽频带设计

研究了蒲公英状压电振动能量收集装置的宽频带设计,以解决环境振源振动频率多变的问题。建立了蒲公英状压电振动能量收集装置谐振频率的理论模型并进行了数值模拟,结果表明,该能量收集装置的谐振频率并不是可以任意拓展的。为验证理论分析的正确性,进行了蒲公英状压电振动能量收集装置的频率响应实验,得到的实验结果与理论分析基本吻合,说明了本文理论分析的可靠性。最后对宽频带的蒲公英状压电振动能量收集装置进行了发电性能测试实验,结果表明,通过对蒲公英状压电振动能量收集装置的宽频带设计,其在20～34Hz有较大的功率输出,且最大输出功率达到了约2.3mW。本文的设计有效地拓宽了该装置的谐振频率范围,易于实现与环境振源的匹配而获得较高的能量收集能力。     

多向振动压电发电关键技术的研究

环境中振动能量收集效率低的问题是当前压电发电技术研究的焦点。为了提高环境中振动能量的收集效率,研究了一种可以收集环境中多个方向振动能量的压电发电关键技术。首先,利用压电发电技术的基础理论建立压电悬臂梁的数学模型,并对其进行振动力学分析;然后利用ANSYS对压电悬臂梁进行有限元仿真分析,优化结构使其固有频率与环境振动频率相符;最后制作多向压电发电装置,对其进行理论分析和实验测试。实验结果证明,多向振动压电发电关键技术可以有效地提高环境中振动能量的收集效率。     

简易压电晶片式液压发电装置的设计及试验

为实现低频率,高强度的振动能量回收和利用,提出一种基于压电流体耦合作用的压电晶片式液压发电装置。通过理论分析设计结构,采用直径60mm,厚度1.6mm的压电晶片以及直径16mm,高度50mm的液压缸制作样机,用水作为工作介质,测试了装置在不同激励频率、激励电压、系统背压及加载质量等条件下的电压输出情况。试验结果表明:当激励频率(工作频率)在27Hz左右时,该压电晶片式液压发电装置的输出电压达到最大,且在一定的范围内,发电装置输出电压随着激励电压、系统背压及加载质量的增加而增加,验证了液压-压电发电的可行性。     

一种悬架系统压电能量回收装置的可行性研究

针对当前车辆悬架系统能量回收装置存在能量密度小,振动能量消耗大和能量回收效率低等问题设计了一种新型压电式能量回收装置.通过建立压电式能量回收装置的压电发电模型和转子动力学模型,将其加入到传统二自由度车辆模型中,并引入惯性质量和能量转化部件作用力,最终完成双质量二自由度的悬架动力学模型的建立.同时讨论了车辆速度、压电回收装置尺寸、道路等级等因素对发电功率的影响.结果 表明,所设计的能量回收装置最高可以实现332.4W的功率回收.     

磁力调频压电电磁复合发电设计与实验

开展了基于环境振动发电作为微电源弥补传统化学电池供能缺陷的研究。基于非线性磁力调频开发了低宽频振动能采集压电电磁复合发电系统。介绍了发电装置工作原理;利用ANSYS和Ansoft Maxwell有限元分析软件仿真分析了压电和电磁发电的输出特性;最后,搭建了压电电磁复合宽频发电装置实验测试系统,测试了发电系统在磁力自调过程中的输出特性。实验结果显示:复合发电系统在谐振频率60Hz时输出开路电压峰值为5.8V,高于压电系统(5.5V)和电磁系统(410mV)独立发电的开路电压峰值。施加磁力拓宽装置后,当压电悬臂梁沿竖直方向上下移动0~15mm时,系统适应谐振频带拓宽为45~76Hz;悬臂梁沿水平方向平移0~30mm时,谐振频带拓宽为51~70 Hz。结果表明仿真分析与实验测试结果吻合很好。该宽频带能量采集技术可用于低频振动环境的能量采集,可在频变环境中为微型低功耗系统提供低电能。     

Rainbow型压电换能结构的有限元分析与实验

提出了一种多方向振动能量收集装置的设计结构,该装置的换能部分采用了一种新颖的Rainbow型压电结构。为了分析和测试Rainbow型压电换能结构的发电性能,对其进行了有限元分析和实验测     

压电-气动隔振器的能量回收特性

为实现低频／高强度振动能量回收以及基于能量回收的主动振动控制,提出一种压电-气动隔振器,介绍了其系统构成原理,并进行了其能量回收特性的理论与试验研究。理论分析结果表明,压电-气动隔振器的发电能力是由环境振动强度、气缸／压电振子的结构性能参数、气体容积／背压等多种要素共同决定的。其他条件确定时,发电量／电压随背压增加呈指数规律递增,且存在最佳的压电振子的厚度及厚度比(基板厚度／总厚度)使发电能力最大。采用Φ60×0.9mm3双晶压电振子及Φ16×100mm3气缸制作了试验样机,测试了频率／背压／振动强度对输出电压的影响规律。结果表明,在给定试验条件下,压电 气动隔振器输出电压随背压及气缸活塞振幅的增加线性递增,0.4MPa背压时输出电压约为无背压时的5倍。此外,还存在最佳工作频率(5 Hz)使其输出电压最大。     

Rainbow型压电换能结构的有限元分析与实验

提出了一种换能部分采用新颖的Rainbow型压电结构的多方向振动能量收集装置.为了分析和测试Rainbow型压电换能结构的发电性能,对该装置进行了有限元分析和实验测试.有限元分析表明,金属基片的宽度与厚度、压电薄膜的宽度与长度及换能结构初始曲率半径的增大会引起换能结构输出开路电压的降低;金属基片长度的增大会引起换能结构...     

超声振动拉丝加工实验装置的测试与分析

在阻抗分析的基础上，应用压电加速度计、电荷放大器和动态信号分析仪对超声振动拉丝实验装置进行了振动测试和性能分析。     

旋转式能量回收装置转速测量方法研究

海水淡化旋转式能量回收装置的转子转速最能直接体现装置的运转状态,但转子被外筒体完全包裹,转子转速无法直接测量。为此,对旋转式能量回收装置振动频率与转子转频进行了分析,提出了一种基于振动信号的旋转式能量回收装置转子转速测量方法。首先,通过实验采集了不同流量下装置的振动和转速数据,并且对装置振动频率与转子转频进行了分析,发现了装置振动主要频率与转子8倍转频有良好的对应关系,建立了振动主频与转子转频的关系式;然后,在此基础上研究了从振动信号中获取转频信息的信号处理与转频计算方法,包括使用小波变换消除振动信号中的基线漂移,利用包络法进行了信号解调以凸显转频信息,为了准确地计算旋转式能量回收装置转子的转速,通过振动能量估计了转频的范围;最后,为了对该转速测量方法的准确性进行验证,在实验平台上对其进行了实验。研究结果表明：在装置平稳运转状态下,该方法测量转速最大误差率为2.55%,在非平稳运转状态下的最大误差率为4.58%,能够满足在线、准确地测量旋转式能量回收装置转子转速的要求。     

宽频压电振动能量采集器的实验研究

为改善线性单频谐振式压电振动能量采集器的输出性能,研制了双自由度宽频压电振动能量采集器样机模型,搭建了样机实验测试平台,研究了系统刚度比和负载电阻等参数对能量采集器输出性能的影响。通过调节系统刚度比,不仅可以拓宽压电振动能量采集器的工作率带,还提高了压电振动能量采集器的输出电压和输出功率。结果表明:在基础振动加速度为40m/s~2和负载电阻为471kΩ条件下,双自由度宽频压电能量采集器的工作频带是单频系统的7倍,最大输出功率是单频系统的4.5倍。     

基于滚压的悬架振动俘能装置设计与特性分析

振动能量俘获装置能够回收路面不平引起的汽车悬架振动能量,为主动悬架提供动力,可有效降低主动悬架的能耗和使用成本。基于滚压原理,提出一种用于电动汽车自供能智能悬架的滚动压迫振动能量俘获装置概念设计。该装置通过滚珠滚压凸起金属片的方式将上下的随机振动转换为幅值相对稳定的单向压力,使其中的压电材料受压变形,从而输出电压。笔者建立了滚动压迫俘获振动能量的理论模型,并对其在随机路况下的振动俘能效果进行了仿真分析。结果显示,该俘能装置占用空间小,在悬架的各种运动状态下,都能俘获振动能量,具有较高的俘能效率,能满足悬架实际应用。     

一种减震器式振动能量回收装置的设计

大多数的自行车和电动自行车都装有减震器,当人骑车行走在不平的路面时,减震器的行程管与外管发生上下相对运动产生机械能。为了有效利用这一能量,设计了1款减震器式振动能量回收装置,其由机械和电路2部分组成,机械部分包含齿条齿轮传动机构和加速传动机构,电路部分包含升压稳压电路和电能储存部分。该装置通过附加在减震器上的机械结构将机械能转化为电能然后储存。实验结果表明,该装置有较好的能量回收效果。     

基于压电的车载传感器自供电技术研究

由于电动汽车的广泛推广及其智能化发展的需求,车载传感器数量激增,传统供能方式诸如污染、维护困难等缺陷日渐凸显。考虑到车载环境中振动无处不在,利用压电技术对振动能量进行收集,设计压电式振动能量收集系统以用来解决微功耗传感器供能问题。文中对系统的结构以及数学模型进行了理论分析,给出了系统振动频率的数学模型以及压电输出的数学模型,在仿真分析的基础之上设计了一套压电能量收集装置,并对其共振情况下的发电性能进行了实验测试。实验结果表明提出的理论模型可以很好的预测系统的输出特性,在共振频率为11.6 Hz,加速度为0.5 g时,系统获得的最大开路电压是4.45 V,在最优负载电阻为400 kΩ时,振动能量收集装置的最大的负载功率为15.02μW。结合超级电容的储能功能,可以满足功率更大间歇式工作方式的车载传感器的能量供给。     

基于压电发电的隧道环境中能源的利用

通过对隧道环境内可利用能源进行测试研究,设计了一种适用于隧道环境的压电悬臂梁发电装置.针对地下隧道环境的振动频谱特征,选择高性价比的压电材料,通过有限元方法进行仿真研究,设计合适尺寸与材料的压电悬臂梁.设计采集系统外围电路,实现低能耗收集利用压电装置转化得到的振动能量.     

变截面压电单晶梁发电性能研究

为研究变截面悬臂梁形压电振动能量收集装置的发电能力,建立了变截面压电单晶梁的有限元计算模型,分析了压电梁结构参数对其发电能力的影响,并通过实验验证了有限元仿真结果。仿真结果表明,压电陶瓷片厚度和压电梁长度的增加将引起压电梁产生开路电压的升高;压电梁宽度的增加将引起压电梁产生开路电压的不断减小;压电梁夹角的增加将使得其开路电压先增大后减小;铍青铜基片压电梁要优于钢基片压电梁。     

复合型悬臂梁压电振子振动模型及发电试验研究

单悬臂梁压电振子俘获环境中振动能时,对环境振动频率敏感且频带有限,在谐振频率与环境振动频率不匹配的情况下,会导致压电振子俘能效率低下。基于此,设计复合型悬臂梁压电振子并建立其振动模型,采用激光测振仪对复合型悬臂梁压电振子进行扫频测试。研究结果表明,复合型悬臂梁压电振子谐振频率范围为56～72Hz,与理论分析结果基本吻合,试验验证了理论模型的正确性。相比于单悬臂梁压电振子,复合型悬臂梁压电振子有效地拓宽了其谐振频带,易于实现与环境振动源振动频率匹配以提高压电发电效率。在此基础上,进行复合型悬臂梁压电发电装置的发电能力测试,在负载为820?,工作频率为60Hz时最大输出功率达到4.9mW,产生的能量能够满足网络传感器等低耗能微电子产品的供能需求。     

气体动载荷下压电振子能量转化特性实验研究

针对当前利用化学电池为传感器供能具有的使用时间短及污染环境等问题，提出了一种可应用于气动系统中气体动载荷环境的能量转化与收集装置。利用压电材料的正压电效应对压电振子发电机理进行分析，分析结果表明，在气体动载荷激励下输出电能与压力变化量呈正比。仿真分析了压电振子所在容腔的内部流场变化，并分析了腔内压力及压力变化量随时间的变化规律。结合理论研究与仿真分析设计并制作了一种压电振子能量转化实验样机，搭建了实验测试系统。以动态气体载荷为激励源对不同流量、周期及负载条件的改变进行了实验测试。实验结果表明随着距离的增加，压电振子的输出电压逐渐下降；随着流量的增加峰值电压增加，当周期为1.2 s、流量为200 L/min、压力为0.3 MPa时最大的输出电压为79.60 V。     

基于圆弧限位的压电发电装置

提出一种基于圆弧限位压电发电装置来提高发电能力及可靠性。介绍了该装置的结构及工作原理,建立了其机电能量转换模型。通过模拟仿真分析获得了压电振子厚度比（基板与总厚度比）对最小限位圆弧半径及能量、及压电振子厚度和限位圆弧半径对电压及能量的影响规律。结果表明,最小限位圆弧半径随厚度比的增加而线性减小,且存在共同的最佳厚度比（0.35）使不同厚度压电振子的输出电压和能量最大;在最佳厚度比时,输出电压和能量随压电振子厚度增加或限位圆弧半径降低而增加。制作了一组限位圆弧半径不等的发电装置,并进行了相关试验测试。结果表明,压电振子的最大输出电压（变形量）仅与限位圆弧半径有关,故采用最小限位圆弧半径可同时获得最大的发电能力和较高的可靠性。     

基于车身振动的压电发电装置研究

为最大程度利用压电悬臂梁发电装置回收车身振动能量,需要研究压电悬臂梁发电装置在车身上的安装位置及其工作频率。首先基于系统状态空间方程建立四轮车辆随机路面激励时域模型和某越野车7自由度整车振动模型,然后通过MATLAB/Simulink建立车路耦合振动仿真模型,最后对耦合振动模型进行时域和频域仿真分析,获得不同位置安装、不同车速及不同路面等级下,车身振动振幅和加速度时域响应图和频谱图。结果表明:安装位置距车身质心纵向距离越远,振动加速度幅值越大,距车身质心的侧向距离对车身振动加速度影响不大;车速对车身振动加速度幅值和频谱基本没有影响;路面状况越差,车身振动加速度幅值越大,但对振动频谱没有影响,振动能量主要集中在(0～2)Hz。