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.     

用于微电池的压电悬臂梁电特性仿真

研究了一种带质量块的压电悬臂梁结构，利用压电薄膜的正压电效应将机械能转化成电能，可以用于振动能的收集。利用有限元分析软件ANSYS对结构进行建模，通过模态分析和谐波分析得到：悬臂梁在一阶模态时上下振动，形成恰当的工作状态；通过改变梁的各个几何参数和振动源的频率，得到了悬臂梁上下电极间峰值电压的变化情况；当振动源的频率为悬臂梁的一阶共振频率时，得到的峰值电压最大。     

径向极化压电陶瓷管的径向振动研究

结合平面应变和三维压电弹性力学理论,对径向极化厚壁压电陶瓷细长管的径向振动进行了研究,得出位移函数、电势函数的精确解。利用振子静电电荷方程导出电位移及电场强度函数,解决了电压与电场强度非线性关系问题,进而辅助maple软件首次对厚壁管形振子等效电导纳进行研究,推出了精确的谐振反谐振频率方程。利用数值法得出了不同尺寸管形振子的谐振反谐振频率,并通过有限元分析,结果表明了本文理论的准确性与精确性,为压电陶瓷厚壁振子的理论研究及设计提供了依据。     

基于力电响应的压电悬臂梁疲劳寿命预测EI北大核心CSCD

针对压电振动能量收集器的疲劳问题,旨在研究基于力电响应的压电悬臂梁振动疲劳寿命预测方法。结合压电悬臂梁振动疲劳试验测得的试验结果,以剩余刚度理论和“两段式”疲劳寿命分析模型为基础提出一种基于谐振频率的压电悬臂梁疲劳寿命预测方法;进一步分析振动疲劳过程中谐振频率变化与负载功率变化的关系模型,提出一种基于负载功率的压电悬臂梁疲劳寿命预测方法。结果表明:基于谐振频率的压电悬臂梁疲劳寿命预测方法的平均误差在10%~20%之间,其误差范围控制在1.5倍误差线以内;而基于负载功率的压电悬臂梁疲劳寿命预测方法的平均误差集中于25%左右,误差范围均控制在2倍误差线以内且属于偏安全的预测效果。     

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。     

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。     

双向激励下非线性压电俘能系统的稳态响应分析EI北大核心CSCD

基于基础激励的多向性和实际环境中的低频率环境,研究了在固定基础端受到水平和垂直双向激励的附加端部质量块悬臂梁压电俘能系统的非线性稳态响应问题。通过Hamilton原理对一个附加端部质量块悬臂梁双晶片压电俘能系统模型的非线性偏微分方程进行理论推导和计算分析。假设此悬臂梁为轴向不可伸长的Euler-Bernoulli梁,此模型主要包含几何非线性和阻尼非线性。利用Galerkin法将非线性偏微分方程降阶得到双向激励作用下附加端部质量块悬臂式压电俘能系统的机电耦合运动微分方程。采用多尺度法研究压电俘能系统在其主要的一阶共振情况下的响应,获得了俘能系统的垂直位移、输出电压和输出功率的解析表达式。得到其主要一阶垂直位移幅值,输出电压幅值和输出功率幅值。分析了不同激励情况下,激励相位等对压电俘能系统俘能性能的影响。     

表面部分电极的含金属芯压电纤维振动传感特性研究

含金属芯压电纤维是一种新型的压电传感器,建立了表面部分电极的含金属芯压电纤维(PMPF)的振动传感理论模型。把悬臂梁结构的纤维固定在振动源上,根据第四类压电方程,基于振动理论,推导了在其固定端受到简谐振动和冲击振动激振条件下,纤维两电极间产生的电压值;根据理论和数值仿真结果,分析了表面电极分布角度、纤维长度对产生电压的影响,及PMPF的尺寸参数对其一阶共振频率的影响。实验结果表明,在测量振动源简谐振动和冲击振动的频率和幅值时,PMPF能有较好的传感性能。     

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。     

三角形状压电振子压电特性分析与仿真

(压电振子的几何形状是影响其振动发电的重要因素之一。在相同压电材料体积下,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。选用悬臂梁式三角形状压电振子作为研究对象,利用有限元分析软件ANSYS进行仿真研究。建立有限元模型;通过静力学和模态分析,研究压电振子的几何形状对其输出电压、固有频率的影响规律,然后在满足原来输出电压不下降的前提下对其进行尺寸优化,提高单位体积的发电能力。在相同边界条件和外力作用下,优化尺寸模型的体积是原来的0.94倍,输出电压是原来的1.03倍,取得了很好的优化效果。     

电压激励的压电层合悬臂梁横向振动分析

以压电陶瓷-金属-压电陶瓷对称层合结构为研究对象,基于能量法得到了等截面压电层合对称悬臂梁在横向激振电压下的强迫振动微分方程。用ANSYS软件对建立的相关有限元模型进行模态分析、谐响应分析及瞬态动力学分析,仿真结果与理论值基本吻合,验证了理论的正确性。进一步分析了阻尼对横向位移响应的影响,讨论了速度、加速度随时间的变化规律,分析了压电悬臂梁的最大应力出现位置及最大应力值随时间的关系。所得结论可为压电振子的设计和分析提供必要理论参考。     

基于Euler Bernoulli理论的压电系统集中参数模型修正

摘要： 针对压电俘能系统悬臂梁结构集中参数模型的局限性,引入Euler Bernoulli梁振动模型。通过分析两模型在振动时相对位移传递率发现,集中参数模型在基础激励情况下,传递率峰值存在较大偏差。理论分析了Euler Bernoulli及集中参数模型在一阶模态附近位移传递率函数,对集中参数模型进行了修正。仿真结果表明修正后的集中参数模型相对位移传递率峰值与Euler Bernoulli模型在低阶模态吻合良好。     

空分复用压电自感知执行器执行与传感效果研究

结构振动主动控制可以采用压电自感知执行器。空分复用解耦方法是实现压电自感知执行器的一种新方法，实质是采用几何方法解耦，即将压电片的一个完整电极分割为执行区和传感区以实现自感知。本文以悬臂梁为对象，以涡流位移计作为标准传感器，对两种电极分割方式的压电片的传感和执行效果进行了实验研究。通过测量压电梁的频率特性，证明了空分复用的压电陶瓷片同时兼有传感和执行两种功能。实验结果也表明传感区的敏感输出受到执行区激励电压的静电耦合的影响，利用悬臂梁存在反谐振点的特性，提出了一种定量测量静电耦合的方法，并测定了不同电极宽度、不同极间隙下的静电耦合系数。本文的工作为采用空分复用的压电自感知执行器进行振动主动控制奠定了基础。     

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.     

基于性能可调阶梯型变幅杆的超声波振子调谐研究

为减小超声波振子外接负载时其谐振频率漂移的幅度,使用机电等效电路法和COMSOL Multiphysics 5.3有限元仿真软件设计制造了一种基于性能可调阶梯型变幅杆的超声波振子。对该超声波振子的谐振频率进行有限元仿真和现场测试。以超声清洗机为例,搭建与其原理相似的试验装置,以不同液面高度的水作为变幅杆的外接负载,探究在不同外接负载情况下,调节连接在变幅杆处压电晶堆的调谐电感对解决超声波振子谐振频率漂移问题的有效性。试验结果表明：随着水杯中液面高度的增加,超声波振子的谐振频率整体呈上升趋势;通过在变幅杆的压电晶堆处外接调谐电感,超声波振子的谐振频率会得到一定的补偿,可重新回归到原始设定的谐振频率值附近。研究表明在使用超声波振子进行超声辅助加工时,该超声波振子对减小外接负载引起的谐振频率漂移幅度具有一定作用。研究结果可为超声波振子的调谐提供新思路和新方法。     

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...     

金属基压电扫描振镜的设计与测试

本文设计了一维金属基压电扫描振镜并进行了性能测试.该振镜利用金属微铰链梁将压电振子的伸缩振动转化为硅反射镜的旋转振动,具有扫描角度大、可靠性高、成本低廉的特点.首先,建立了压电振镜的有限元模型,通过模态分析和谐振响应分析得到了振镜的谐振模态以及扫描角度极限随铰链梁尺寸和位置的变化关系.接着,制备了由压电振子、钢片基底和硅反射镜组成的振镜样机.最后,对振镜的幅频特性进行了性能测试.结果表明:2 mm×2 mm的反射镜在120V_(pp)的电压驱动下可在谐振频率5.34 k Hz处产生21°的扫描角度.随着驱动电压幅值的增加,一阶扭转谐振频率会略微下降.振镜样机Q值达144,扫描角度与驱动电压幅值呈线性关系.该振镜具有较大的镜面尺寸和扫描角度,制作工艺简单、抗冲击性能好,可满足流式细胞扫描成像高分辨率和模块化、批量化的应用需求.     

含压电分流阻尼的声学黑洞梁振动特性研究EI北大核心CSCD

针对声学黑洞梁结构,引入压电分流阻尼形成声学黑洞压电复合结构,采用半解析法对其振动特性进行分析。首先基于哈密顿原理,采用墨西哥帽状小波作为型函数,利用能量法对声学黑洞悬臂梁的自由振动和受迫振动进行求解,与有限元法结果吻合良好,验证了半解析法的可靠性。然后引入分流阻尼,通过等效介质法将分流阻尼等效为附加材料,利用其局域共振机制,分析了含分流阻尼的声学黑洞梁振动特性,从理论上分析了确定局域共振频率近似方法。压电分流阻尼可以通过调整电感值来使局域共振与结构共振产生耦合,从而使振动响应峰值产生衰减;另一方面适当的阻尼可以使振荡效应消失。针对第一阶共振峰值,设计出的含分流阻尼的声学黑洞梁比传统阻尼层声学黑洞梁的振动有明显衰减,为声学黑洞结构的低频振动控制提供了新的思路。     

基于模糊控制的压电挠性梁的振动主动控制实验研究

针对压电智能挠性悬臂梁进行了基于模糊振动控制研究.首先推导了压电智能挠性悬臂梁的控制方程.基于查表法设计振动模糊控制器,并在此基础上运用了一种修正技术提高模糊控制精度,提出采用修正Fuzzy-PI双模控制方法,设置信号阀值实现Fuzzy控制和PI控制的切换,设计了挠性悬臂梁振动主动控制算法.建立了压电智能挠性悬臂梁的实验平台,采用提出的控制方法对悬臂梁振动进行实验研究,实验结果表明:振动被快速抑制,系统的动态、稳态性能方面优于普通模糊控制器.     

考虑重力影响的压电悬臂梁发电系统动力学特性研究

微电子技术的进步降低了传感器的功率,从而使利用环境振动为传感器自供电成为了可能。建立了考虑重力影响的双稳态压电悬臂梁发电系统的力学模型,得到系统的控制方程,并进行无量纲化。借助数值分析,获得了简谐激励和白噪声激励下重力对双稳态压电悬臂梁发电系统平均输出功率的影响规律,结合半功率带宽法,在保障压电发电系统仍可进行大功率输出的前提下,提出了白噪声激励下重力最小影响区间的确定方法,该研究结果可为压电发电系统的相关研究提供数据参考。