压电式振动发电机的建模及应用

振动式压电发电机是一种可为旋转机械故障诊断中的无线传感节点供电的微能源。本文设计了由压电悬臂梁、质量块和固定装置组成的振动式压电发电机,并建立了安装在恒速旋转机械上的悬臂梁式发电机的数学模型。分析了轴向分力对悬臂梁刚度和发电机频率的影响,在考虑悬臂梁受到轴向力影响的基础上,给出了发电机固有频率、输出电压和输出功率的公式。对一个安装于转动框架上的振动式压电发电机进行了测量,结果表明,当框架转动频率为14.25 Hz时,发电机的输出功率约为35 μW,随着旋转机械转动频率偏离发电机固有频率,发电机的输出功率很快降低。     

新型低温漂电容式角度传感器的研究

针对常用的电容式角度传感器温漂较大问题,设计了一种新型低温漂电容式角度传感器及测量电路。传感器主要包括前极板、转轴、陶瓷介质和后极板,其中前、后极板采用碳氢化合物材料制作,前极板通过陶瓷介质和后极板构成差动式平板电容器。电容传感器的后极板设置激磁电路产生传感器用高频激磁信号,前极板设置电容差分调幅电路将与输入角度对应的容值转换成电压值输出。文中设计的新型电容式角度传感器,可通过提高激磁信号频率来提升传感器的灵敏度,且利用外部自动增益控制电路,保证了传感器在温度变化时其灵敏度基本不变。     

无铅BaTiO3/GO/PDMS复合的柔性叉指式压电发电机的设计与试验

传统的压电振动发电机具有工作频带窄,压电陶瓷易碎且含铅等缺陷,无法满足当前微型传感器件可穿戴、小型化、便携式等要求。本文制备了一种高性能的钛酸钡/石墨烯/聚二甲基硅氧烷(BaTiO_3/GO/PDMS)三元无铅压电复合薄膜。GO材料的比表面较大且流动性较强,在铁电材料中易形成微电容从而提高复合薄膜的压电性能。当BaTiO_3/GO/PDMS复合薄膜中GO质量分数为0.6wt%时,复合薄膜的介电常数和导电率分别为185和8.5×10-5 S/m。BaTiO_3/GO/PDMS复合薄膜的剩余极化强度值为13.47μC/cm2,比未添加GO材料时提高了28%。所制备的BaTiO_3/GO/PDMS三元复合薄膜发电机的最大输出电压达7.71V,是BaTiO_3/PDMS二元复合薄膜发电机的2.78倍。将BaTiO_3/GO/PDMS复合柔性纳米薄膜应用于非对称叉指式压电拾振结构,填充GO后非对称叉指式拾振结构的输出电压明显增加,拾振结构的-3dB带宽由未填充GO时的8.7 Hz增加到填充GO后的11.2 Hz。所提出的BaTiO_3/GO/PDMS无铅复合柔性压电纳米发电机在柔性能量采集拾振结构方面具有巨大的应用前景。     

基于流固耦合作用的压电液压振动俘能器

提出一种基于流固耦合作用的压电液压振动俘能器来实现低频、高强度振动能量回收.介绍了浮能器的系统构成及工作原理并进行了理论及试验研究.理论分析结果表明,压电液压俘能器的性能是由环境振动频率/振动强度、液压缸/压电振子的结构性能参数、流体容积/特性以及系统背压(蓄能器预置压力)等多种要素共同决定的,仅当各要素配置合理时才能实现压电液压俘能器的预期功能.采用外径为60 mm、厚度为0.9 mm的双晶压电振子及外径为16 cm,长度为100 cm液压缸制作了试验样机,并以水为工作介质进行了不同频率/背压/激振器振幅条件下的试验测试.试验结果表明,存在最佳工作频率(8Hz)使压电液压俘能器输出电压最大,且输出电压随系统背压及液压缸振幅的增加而增加.其它条件不变时,0.4 MPa背压下的输出电压是背压0.2 MPa时的1.65倍.     

气体耦合式宽带/低频压电振动俘能器

为实现低频/宽频带/高强度振动能量回收及基于能量回收的主动振动控制,提出了一种气体耦合式振动俘能器。介绍了俘能器的系统构成原理,对其能量回收特性进行了理论与试验研究。理论分析结果表明,俘能器的发电能力及特性是由环境振动强度、气缸/压电振子的结构与性能参数、系统质量/背压等多种要素共同决定的;其它条件确定时,存在使电压最大的最佳频率以及使俘能器工作与否的最低临界频率;增加背压/质量可不同程度地提高俘能器的输出电压和有效带宽、降低临界频率,但对最佳频率无明显影响。采用Ф60×0.9mm3双晶压电振子及Ф16×100mm3气缸制作了样机,测试了不同背压及质量时俘能器的电压-频率特性。结果表明,俘能器最佳/临界频率、最大输出电压及有效带宽等与背压/质量关系均与理论分析结果相吻合。不同条件下所测得的最佳频率均为55Hz左右;背压0.4 MPa、质量10kg时所获得临界频率/最大输出电压/对应25V输出电压有效带宽为9Hz/88V/72Hz,分别为质量2.5kg时的0.36倍、2倍和2.2倍。     

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。     

基于电润湿效应驱动的微泵设计与分析

利用介质上电润湿效应(ElectroWetting-On-Dielectrics,EWOD),驱动液滴在微泵泵腔内振动,再结合锥形单向流阻结构,设计出一种新型的基于EWOD的微泵;深入探讨了液滴振动的机理,并对该EWOD微泵模型进行了数值模拟。数值模拟的结果表明,提出的一种基于EWOD驱动的微泵能很好的完成泵送液体的功能,并且其泵送效率与液滴振动的频率有关。其中数值模拟的结果显示当液滴的振动频率为5, 10, 15, 20 Hz时,微泵的泵送效率与液滴的振动频率成正相关,微泵出口的压力与液滴的振动频率并无明显关系。     

非接触式表面电势测量的MEMS微型静电压仪

针对工业中的表面电势测量应用,研制了一种新型的基于微机械加工技术(MEMS技术)的微型静电压仪.为了提高器件的信噪比和灵敏度,传感器敏感结构基于谐振式工作原理,并采用差分激励和差分敏感的结构设计.基于高速数字芯片和数字信号处理技术,研制了传感器的数字化检测系统原理样机.该传感器可实现非接触式表面电势测量,在距离目标表面20 mm位置,该传感器最小分辨电压优于10 V,精度优于10%.文中还进行了摩擦泡沫表面电势的测量,试验结果表明:该传感器可反映表面电势的变化和电荷衰减.     

约束活塞型内燃式发电机工作特性的试验研究

介绍了约束活塞型内燃式发电机（CPICG）的结构原理及工作特点,针对单缸CPICG样机的工作特性进行了试验研究,试验结果表明,空载时的端电压随着曲轴转速的增加而增加,转速不变时输出电压随输出电流的增加而下降。     

约束活塞型内燃式发电机工作特性的试验研究

介绍了约束活塞型内燃式发电机(CPICG)的结构原理及工作特点,针对单缸CPICG样机的工作特性进行了试验研究,试验结果表明,空载时的端电压随着曲轴转速的增加而增加,转速不变时输出电压随输出电流的增加而下降。     

微型振动式发电机振子系统的理论计算及仿真

建立了微型振动式发电机的核心部件振子的结构模型。利用有限元的方法对振子进行了动力学分析及计算,并应用ANSYS有限元分析软件,对振子进行了计算机模拟分析,得出了敏感元的厚度、宽度对振子固有频率及最大变形量的影响。设计出了优化的振子系统结构。     

磁性液体微压差传感器校准信号源的研究

提出了一种新颖的低频(0.1～100Hz)磁性液体正弦压力信号源,可用于微压差传感器校准实验,该信号源能够产生与激励电流频率相同的正弦微差压.利用单自由度受迫振动原理分析了输入电信号和输出压力信号之间的函数关系.采用有限元方法(FEM)分析了磁性液体正弦压力信号源内的磁场分布并计算了磁性液体所受磁场力.最后搭建了测试信号源性能的实验平台,并给出了实验结果,由此计算了系统的固有频率及阻尼比等特征参量.实验结果显示与理论分析一致.     

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。     

风力发电机测震仪

为了检测风力发电机振动情况,减少振动引起的破坏,研究设计了风力发电机测震仪。该测震装置引入无触点振动传感器的结构以提高装置的耐用性,实现了二维振动的检测。通过实验建立了位移传感器电流与位移的关系,以传感器的数学模型为基础,经过信息处理与数据分析,可同时测试振动的振幅、频率及方位,并对其可行性作了必要的论证。以VB作为开发工具,开发了实时监测的人机接口及设定风机振动的报警值功能模块,并可对报警信息实时记录。     

风力机气动力不对称故障建模与仿真

风力机气动力不对称故障对风力发电机组的安全稳定运行有很大的影响,传统的基于振动的故障诊断方法需要在风力机上安装大量的传感器,成本较高,可靠性也较差。近年来,已有学者采用基于电信号的故障诊断方法对该故障进行了实验研究,但未对该诊断方法进行理论上解释。笔者研究了气动力不对称故障下的风力机的塔架振动和气动力的耦合规律,阐述了造成电功率波动的机理,指出电功率的波动来源于塔架的振动,建立了整个风力机组故障状态下的模型,仿真得到了故障条件下的塔架振动信号与电功率信号,对仿真得到的振动信号与电信号进行信号处理。结果显示其中均出现了叶轮旋转的一倍频分量,与德国ISET等实验研究的结果相符,对开发新的故障诊断算法具有重要意义。     

程控高压脉冲发生器

介绍一种程控高压脉冲发生器,主要由高压电源、储能电容器组、氢闸流管和控制电路等组成,可以输出一个负极性的高压脉冲,脉冲幅度为10～15kV。程控高压脉冲发生器采用模块化设计结构,将通用的构建于模拟电路基础之上的高压脉冲发生器与数字控制技术相结合,通过触摸屏、可编程控制器PLC加以控制,实现仪器的智能化。     

Specific features of operation of a two-capacitor electrostatic generator

Specific features of operation of a two-capacitor generator based on overflow of the charge accumulated in capacitors through a load resistance between two capacitors with antiphase modulated capacitances by means of a lateral or planar shift of the electrode plates by applying a mechanical force to moving electrodes are analyzed. Numerical solutions for all generator operation modes are obtained, and they are found to be universal. Analytical estimates of the maximum power of the generator as a function of the capacitance modulation factor are derived. Experimental investigations of a two-capacitor rotor generator show that its characteristics are consistent with the analysis performed and that this analysis can be used to describe all specific features of operation of particular generators.     

风电机组双馈发电机振动故障分析

针对双馈发电机在风电机组运行过程中出现的振动故障问题,根据风力发电机组结构与运行特点,将频谱分析与ADAMS建模仿真技术应用到双馈发电机设计、制造与维护中。开展了大量的双馈发电机振动测试与频谱分析,建立了对中、平衡、弹性安装、轴承振动频谱与双馈发电机振动故障之间的关系,提出了优化对中维护、修改转子平衡工艺与优化弹性支撑-发电机固有频率的解决方法。在ADAMS软件平台上对弹性支撑-发电机固有频率优化进行了评价,并进行了转子平衡工艺优化前、后与弹性支撑-发电机固有频率优化前、后的振动值对比试验。研究结果表明,通过优化双馈发电机振动值已经由10 mm/s减小到2.2 mm/s,双馈发电机振动减小效果明显。     

MEMS复合式振动能量采集器

介绍了一种结合了压电式能量采集与静电式能量采集原理的复合式振动能量采集器。其结构通过有限元分析软件的优化设计,得到了期望的低频共振频率。为了预测这个复合式振动能量采集器的性能,建立了解析模型,在此基础上使用MATLAB/SIMULINK进行了数值模拟。模拟结果显示,在某些特定的频率范围内,这种复合式振动能量采集器能够提供比其他两种能量采集器更高的输出功率。对于固有频率为282 Hz的器件结构,仿真发现复合式设计的输出功率可达4.85 μW,两倍于电容式设计的输出功率2.11 μW。     

用于多频振动的MEMS复合式能量采集器的设计

设计、模拟了一款用于多频振动的MEMS复合式能量采集器,提出了一种新颖的能量采集结构,即将压电式悬臂梁和可变电容器结合起来用于多频振动能量的采集。在建立多频振动能量采集系统分析模型的基础上,使用MatLab/SIMULINK的数值模拟,预测了功率输出。模拟结果显示,该结构可在630~655 Hz有效工作,在负载为50 kΩ时,输出功率可达13.46 μW。基于这个结果,给出了一个优化设计方案,同时为了防止结构失效,对结构进行了有限元仿真分析。仿真分析结果显示了良好的预期性能,说明了该设计指导思想的合理性和先进性。