不同截面形状悬臂梁双晶压电振子发电能力建模与实验研究

为了研究截面形状对悬臂梁双晶压电振子发电能力的影响,本文根据压电方程和热平衡原理分别建立了截面形状为矩形、梯形和三角形悬臂梁双晶压电振子压电发电的数学模型,对截面形状对压电梁发电能力的影响进行了数值模拟与有限元仿真分析,并进行了实验验证。研究结果表明,在相同压电材料体积下,三角形压电振子最大输出功率为4.5mW,约为矩形压电振子的3.3倍,三角形压电振子相比于矩形和梯形压电振子具有更大的发电能力,可有效提高有限体积下压电振子的输出特性。     

旋磁激励式圆形压电振子发电机

为满足旋转机构监测系统自供电需求,设计旋磁激励式圆形压电振子发电机,并着重研究磁铁尺寸、磁铁间距、压电振子厚度等对压电振子一次受激产生的最大输出电压及总能量的影响规律。结果表明,其它条件确定时,增加磁铁尺度或减小磁铁间距均可有效提高发电机输出电压及有效速带宽度。试验获得输出电压大于12 V的转速范围为100~2 850 r/min。压电振子厚度对输出电压及总发电量均有较大影响,低转速时采用薄压电振子、高转速时采用厚压电振子有助于提高发、供电能力。0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm厚压电振子最佳转速分别为707.5 r/min、1 301.8 r/min、2 490.4r/min,0.2 mm厚压电振子一次受激产生的电能/功率分别为0.4 mm、0.6 mm压电振子的3.1/1.7倍、6.4/2.0倍。以输出5 V供电电压为例,912 r/min时0.4 mm厚压电振子输出电能为0.6 mm厚压电振子的5倍,1710 r/min时0.6 mm厚压电振子的输出电能为0.4 mm压电振子的1.7倍。     

电极配置对悬臂梁压电振子发电能力的影响

研究了带末端质量块的悬臂梁压电振子多模态振动时的应变分布特点,针对压电陶瓷表面电极配置对压电振子输出电压的影响关系进行压电-电路耦合有限元分析,并建立悬臂梁压电振子发电测试系统,对工作在一阶和二阶谐振频率附近处的压电振子分段电极和连续电极输出功率进行对比分析。研究结果表明,一阶谐振时分段电极的峰值输出功率与连续电极相接近,二阶谐振时分段电极的峰值输出功率增加了900%。相比于连续电极配置法,分段电极配置法可有效提高压电振子在高频振动时的发电能力。     

悬臂梁压电发电装置的实验研究

为了进行压电陶瓷材料发电性能测试与研究,研制了一套悬臂梁压电振子发电系统.设计了悬臂梁压电振子,并对压电振子进行了有限元分析和电导测试.在此基础上,设计了能量存储电路,并在低频下对悬臂梁压电振子发电性能进行了实验研究.研究结果表明,当悬臂梁压电振子处于谐振频率状态下振动时,输出电压和功率达到最大.输出电压随着负载的增大而增大,输出功率并不随着负载的增大而增大;压电振子存在-个最佳阻抗,当负载与最佳阻抗匹配时,此时压电振子的能量转化效率最高且输出功率最大.利用本实验系统进行压电发电实验测试,当负载为50 kΩ时,压电振子输出电压为7 V;当负载电阻为15 kΩ时,此时的输出功率最大可达到1.4 mW,产生的功率可以满足无线传感器等低耗能产品的供能需求.     

多振子串联压电俘能器性能分析与测试

为实现低频、大振幅、高强度振动能量回收,提出多振子串联压电振动俘能器,在理论、试验两方面研究压电振子数量/电学连接方式、集中质量及激励频率等对其性能影响规律。结果表明,增加集中质量及压电振子数量均可有效降低俘能器基频、提高发电量/输出功率;压电振子电学串/并联时输出电压及使输出功率最大、最佳负载不同,但产生的电能及在最佳负载下的输出功率相同。制作1/2/4组压电振子构成的俘能器,进行不同集中质量、频率、压电振子电学连接方式及负载的对比试验。单组压电振子在集中质量292 g的最佳频率及发电量分别为集中质量36.5 g的0.6倍、1.92倍;4组压电振子电学并联时的最佳频率及发电量分别为单组的0.58倍、2.2倍;两组压电振子电学串/并联的最佳负载及最大输出功率分别为42.3/10.6 kΩ、232.8/202.7 mW。     

压电双晶连接形式对振动发电机力电输出特性的影响

为了分析压电双晶体连接形式对振动发电机力电输出特性的影响,并有效改善发电机综合性能,考虑发电机机械端的力-电耦合与电路端的电-电耦合作用,利用压电本构方程建立了双晶压电悬臂式振动发电机的有限元分析动力学方程,利用ANSYS软件建立了相应的有限元机电耦合分析模型,对比分析了在相同外力激振条件下,压电双晶不同连接形式对发电机输出力特性(末端振动速度)和电特性(电压、电流和电输出功率)的影响。最后,对两种类型发电机的电输出功率进行优化分析,得到了压电双晶不同连接形式时发电机的优化负载电阻和最大输出功率。研究结果表明:串联型振动发电机的优化负载电阻是并联型发电机优化负载电阻的4倍;串联型发电机具有较大的输出电压,压电双晶并联型振动发电机具有较大的输出电流,但两者具有相同的最大输出功率。     

压电驱动器环形压电振子特性及其等效电学参数识别

压电驱动器是一种由压电功能材料构成的微型机电器件,为研究改善压电驱动器环形压电振子的振动特性和俘能特性,建立了压电振子的机电耦合有限元模型,分析了压电振子齿槽倾斜度和支撑对其振动特性和俘能特性的影响,并从改善振子振动特性和俘能特性角度出发,对压电振子进行了结构优化设计;其次,利用该有限元模型求解了压电振子的导纳特性曲线...     

液压流体吸振器用圆形压电发电装置的建模与性能分析

提出一种用于液压流体吸振器的压电发电装置。为提高所用圆形压电振子的发电能力,获得最优的结构及材料性能参数,利用板壳理论建立了固支边界条件下的位移曲线及发电量的理论分析模型,研究了半径比(陶瓷/基板)、厚度比(陶瓷/总厚度)及弹性模量比(基板/陶瓷)等对其发电能力的影响规律。研究表明,在压电振子材料确定时,存在最佳的半径比和厚度比使其发电能力最大;在压电振子结构尺寸确定时,存在最佳的弹性模量比使发电量最大,且厚度比确定时的最佳弹性模量比与半径比无关、半径比确定时的最佳弹性模量比随厚度比的减小而降低;减小弹性模量比有助于提高压电振子的发电能力。铝基板及铍青铜基板压电振子的最佳半径比/厚度比分别为0.45/0.45和0.585/0.60,最大发电量分别为1.146 43×10-4J和1.018 93×10-4 J。     

谐振锯齿波驱动型冲击直线压电马达

传统的冲击压电马达大都工作在准静态下,振幅和工作频率相对较低,速度和输出力均不是很高。基于机械波合成理论,设计了一种新型共振型冲击直线压电马达。分析了压电马达的驱动机理,采用有限元仿真法优化了压电振子的结构尺寸。通过合成频率比为1:2的两个谐振正弦波得到近似谐振锯齿波,设计加工了压电振子、研制了马达样机、进行了性能测试与分析。当预紧力是0.02 N、基频驱动电压是300 Vp-p（592.5 Hz）时,马达无负载最大速度为32.4 mm/s;当预紧力是10 N、基频驱动电压是400 Vp-p（592.5 Hz）时,马达最大负载力可达1 N。实验验证了设计的有效性,表明该种压电马达具有良好的性能。     

双自由度压电振动能量采集器的力-电输出特性分析

在单自由度悬臂梁压电振动能量采集器模型基础上增加一个弹性放大器,构造形成了具有双自由度的压电振动能量采集器。利用ANSYS有限元软件建立了双自由度压电能量采集器的有限元力-电耦合模型,数值分析了模型中各参数(如质量比、阻尼比以及负载电阻等)对系统力特性(速度、加速度等)和电输出特性(电压、电流、输出功率等)的影响。研究结果表明:大的质量比和小的阻尼比能够提高压电悬臂梁能量采集器的输出功率,并能拓展其工作频带;短路谐振状态下的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电流,而开路谐振状态的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电压。研究结果还表明:对于尺寸为50.8mm×31.8mm×0.26mm的悬臂梁基板和50.8mm×31.8mm×0.14mm的压电晶体构成的双自由度系统,在基础加速度40m/s2、频率38Hz的外界振动激励下,系统在负载电阻短路和开路状态下的最大输出功率分别达到4 386.5和4 263.4mW,是单自由度系统的10倍。双自由度系统的频带宽度达到10Hz,是单自由度系统的5倍。     

宽频压电振动能量采集器的力-电输出特性分析

压电振动能量采集器是一种新型的力(加速度)-电耦合转换输出器件,为了提高单自由度悬臂梁压电振动能量采集器的输出功率和工作频带,通过在单自由度悬臂梁压电振动能量采集器模型基础上增加一个弹性放大器的方法,构造形成了具有两自由度的宽频压电振动能量采集器。利用ANSYS有限元软件建立了宽频压电能量采集器的有限元力-电耦合模型,数值分析了模型中各参数(如质量比、阻尼比以及负载电阻等)对系统力特性(速度、加速度等)和电输出特性(电压、电流、输出功率等)的影响。研究结果表明：大的质量比和小的阻尼比能够提高压电悬臂梁能量采集器的输出功率并拓展其工作频带;短路谐振状态下的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电流,而开路谐振状态的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电压,优化后的短路谐振和开路谐振最大输出功率分别达到4386.5 mW/g2和4263.4 mW/g2。频带宽度达到10 Hz,且是SDOF系统的5倍。     

间接激励压电发电机的建模仿真与试验研究

为满足旋转机械监测系统的自供电需求、解决现有压电发电机可靠性低及有效带宽窄等问题,提出一种基于移动凸轮间接激励并限幅的旋转式压电发电机(简称间接激励压电发电机)。介绍了发电机的结构原理并进行了建模仿真与试验测试,获得了激励磁铁数量比、凸轮升程及升角对激振力形式/幅值、压电振子变形量/输出电压及发电机带宽等的影响规律。结果表明:利用凸轮间接激励可有效地限制压电振子的振幅/输出电压、避免幅频特性曲线出现明显的谐振峰;其他条件相同时,使压电振子变形量/输出电压相同的有效带宽随激励磁铁数量比的减小及凸轮升角(30°-45°范围内)的增加而增加;随凸轮升程的增加,压电振子变形量/输出电压增加、有效带宽减小;磁铁数量比为0.25、升角为40°、升程为2/3/4/5 mm时,使输出电压为20/40/60/70 V的有效转速范围为212.8/67.2/67.2/44.8 r/min;此外,存在最佳负载70 kΩ使发电机输出功率最大(9.66 mW)。     

双十字压电振子同型弯振模态驱动的平面超声电机

为了丰富平面超声电机的型式,提出一种双十字压电振子同型弯振模态驱动的平面超声电机。利用双十字压电振子的纵杆面内、面外弯振耦合以及横杆面内、面外弯振耦合,分别在两杆的驱动足上合成沿xoz、yoz面行进的两相椭圆轨迹,以交替地推动动子沿x、y向移动。分析了该平面超声电机的驱动机理,并推导出两相椭圆轨迹方程。建立了双十字压电振子机电耦合模型,对其三相工作模态的振型进行仿真分析,并在结构优化的基础上实现了三相工作模态频率一致,使它们分别为43 468,43 552和43 569 Hz。仿真了双十字压电振子的频响特性并实现了干扰模态分离,当驱动电压为250 V时,驱动足x、y、z向振幅分别为1.3,0.8和0.9 μm,满足电机驱动要求。模拟得到定频激励下双十字压电振子驱动足的两相椭圆运动轨迹,验证了所设计平面超声电机驱动机理的有效性。该平面超声电机可输出较大速度与动力,具有广阔的应用前景。     

砧骨激励式压电振子听力补偿性能实验

针对传统压电式人工中耳输出增益较小、工作频带窄的问题,提出利用压电叠堆型压电振子激振砧骨体来补偿听力。为验证该方案的可行性,搭建由送声器、测声探管、压电振子及激光测振仪等构成的颞骨实验台,对振子动态特性、听骨链在声激励下及压电振子激振下的动态特性进行了测量。通过对比分析镫骨在两种激励下的运动情况,研究压电振子的听力补偿情况。结果显示,该砧骨激励式压电振子在低功耗、低电压下,便能对听力损伤进行有效补偿。此外,该压电振子听力补偿时还具有高频性能优异的特点,一方面在同等驱动电压下,高频补偿能力更强,能激起高达130 dB鼓膜声激励对应的运动幅度;另一方面,对高频段听力补偿时,具有较高的清晰度。     

基于间接边界元法的管形振子双管布阵优化

在分析管形振子结构及工作模式的基础上,对其在反应器内辐射声场的计算模型进行合理简化,利用间接边界元法计算了单个管形振子的辐射声场,通过实验验证了该计算方法的有效性。以两个管形振子在圆柱形槽中的布阵为例说明了布阵的优化方法。首先利用间接边界元方法计算了该系统的声场,然后以声场中一些平面上的声压平均值作为评价依据,比较了振子间距不同时的声场强弱,并通过观察振子间距不同时的声场分布情况判断声场的均匀性,从而达到优化布阵。实验结果表明该优化方案是可行的,为管形振子的工程应用提供了一定的技术依据。     

收集环境振动能微压电悬臂梁的制作工艺与测试

研制长寿稳定电源已经成为微型无线传感网络中亟待解决的关键技术问题,现有的化学电池容量有限,需要不断地逐个更换耗尽的电池,难以满足无线传感网络的实际应用.提出了利用压电材料的机电耦合特性收集环境振动能,设计了一种用来收集环境振动能的压电微悬臂梁结构,介绍了用MEMS工艺制作带质量块的硅基压电悬臂梁微电源的工艺流程.质量块可以降低器件的谐振频率,并提高输出电功率.最后,对制作的微压电悬臂梁进行了固有频率测试以及静态和准静态标定实验.     

Compact piezoelectric stacked actuators for high power applications

Small, hollow, multilayer actuators with a diameter of 3 mm were fabricated by the stacking method from piezoelectric hard lead zirconate titanate (PZT) ceramics. Langevin vibrators were also constructed with the hollow multilayer actuators. The performance capabilities of the actuator and Langevin vibrator samples were examined under high-power conditions. The high-power vibration level at a given sinusoidal drive voltage was significantly enhanced by using a multilayer structure under either a nonresonance or resonance condition. A maximum vibration velocity of 0.17 m/sec was obtained for the 9-layer actuator sample under nonresonance conditions. The vibration velocity was further improved with the Langevin vibrator driven at the resonance frequency. The temperature rise due to heat generation under high-power conditions was the immediate limitation on the maximum accessible vibration velocity for the stacked actuators.     

微振动输送中圆盘型压电振子的动力学分析

目的研究压电陶瓷振动给料器的双晶片压电振子,求出其力学表达式,为振动给料器的双压电晶片的优化设计奠定理论基础。方法以螺旋式压电振动给料器的圆盘型压电振子为例,对圆盘型压电双晶片进行动力学分析,建立振动模型及动力学方程,对激振力进行求解。结果运用Rayleigh-Ritz法推导出在简支边界条件下,双压电晶片振子的弯曲振动的共振频率以及激振力表达式,得出最大误差出现在160 V处,理论计算与实验验证数据的误差为10%左右,有限元分析与实验验证数据的误差为5%左右。结论通过实验可以看出在实际应用中,要综合考虑其电压输入与压电陶瓷层的变形程度,选择最佳的电能输入,才能使压电双晶片获得最大的激励位移。     

碰撞式微型压电风能采集器实验研究(英文)

为提高基于风致振动机理的微型风能采集器在低风速下的输出功率,设计了一种新型的碰撞式微型压电风能采集器.采集器主要由圆柱形钝体、铰接分隔板、压电悬臂梁和支架组成.通过铰接分隔板和压电悬臂梁的碰撞有效降低了采集器的工作风速.加工制作了采集器的原理样机并在小型风洞内进行了实验测量.通过实验发现分隔板与压电片横向间距对采集器的工作风速和输出功率有很大的影响.压电悬臂梁自由端添加质量块可以提高输出功率.风速15 m/s、外接200 kΩ优化负载时,采集器最大输出功率为64μW.