拨动式上变频压电俘能器的设计与研究

该文提出了一种基于弹簧振动平台的上变频压电俘能器,解决了低频振动能量收集效率低的问题。分析了压电悬臂梁输出功率与激励频率的三次方正相关,解释了采用上变频收集低频振动能量的原因。应用赫兹接触理论分析了拨片与压电悬臂梁的接触力,建立了拨动式激励的压电俘能器机电耦合模型。在综合考虑重叠长度和拨片厚度等影响因素后,选取厚度0.1 mm矩形不锈钢拨片。实验表明,在1g（g=9.8 m/s²）、5.67 Hz的激励信号下,单拨动式上变频V25W型压电悬臂梁输出功率可达9.6 mW,具有很强的低频能量收集性能。     

基于涡致振动的压电能量收集阵列的仿真与实验

为了解决部分微电子设备供电需求大,而单一的压电能量收集结构无法满足的问题,该文对基于涡致振动的压电能量收集阵列进行流-固-电耦合仿真,并与风洞实验数据进行对比.首先对前置阻流体的俘能结构进行测试,验证结构的可行性,然后对串列、并列、错列、长方阵型的压电俘能结构进行研究.仿真与实验结果表明,压电能量收集阵列随风速的增大呈...     

用于能量收集的基于涡致振动的双自由度嵌套式压电圆管俘能结构

为解决俘能结构频带较窄,仅能从一个方向对机械振动能量进行收集的问题,研发了一种基于涡致振动的双自由度嵌套式压电圆管俘能结构。建立了俘能结构的流-固-电耦合数学模型,利用数值模拟和实验测试对前置阻流体的单俘能结构、串列双俘能结构及并列双俘能结构等情况进行了研究,分析了这些结构的振动性能与压电特性。数值模拟与实验测试结果表明,风速、俘能结构间距、压电圆环直径以及俘能结构排列方式都会影响压电俘能结构性能。在数值分析中,并列双俘能结构输出电压最大,在当结构间距(L)与压电俘能结构外直径(D)之比为2、风速为7 m/s时,上下端俘能结构的最大输出电压分别为5.7和6.8 V,对应输出功率为165和193μW。实验测试中,在风速为7 m/s、L/D=2时输出电压出现最大值,其上端俘能结构的最大输出电压为3.7 V,输出功率为80μW;下端俘能结构的最大输出电压为5.2 V,输出功率为148μW。研究结果表明,双自由度嵌套式俘能结构及其阵列可适当提高结构的输出电压,可为研究涡致振动压电能量收集提供新的参考方案。     

悬臂梁式压电振动能量收集系统输出功率的优化研究

针对环境振动能量较小、振动源频带较宽导致压电能量收集系统输出功率较低的问题,探究了悬臂梁式结构能量收集系统采用并联或串联电感优化统输出功率的方法和特性,分析了不同并、串联电感值对输出功率的影响.鉴于压电悬臂梁的工作频率较低,匹配电感值较大,采用无损模拟电感进行了实验验证.理论分析与实验结果均表明,在不同的激振频率下对应不同的匹配电感值,在偏离谐振频率附近也可获得与谐振状态几乎相同的最大输出功率,从而拓宽了工作频率,提高了压电振动能量收集系统的能量收集水平.当激振频率分别是谐振频率的0.8和1.2倍时,并联或串联电感获得的最大输出功率分别是无电感纯电阻负载的26.4倍和18.2倍.     

用压电蜂音器收集能量

能量收集系统是从环境中获得能量的系统。不幸的是,这类发电装置提供的能量要比标准的电池少得多。然而,随着当今可佩戴设备尺寸和功耗的降低,在一些低功耗系统中,用能够从用户所处环境收集能量（如用户行走和跑动中产生的振动能）的发电装置替代电池已具有可行性。此设计实例利用标准和易于获得的压电蜂音器的压电效应将机械振动转化为电能。尽管压电蜂音器通常是在施加交流电后发出声波,但也可以反过来利用它,也就是说,在振动频率与压电蜂音器共振频率匹配时,压电蜂音器可以产生最大的交流峰值电压供人使用。     

一种悬臂曲梁压电俘能器研究

提出了一种基于压电悬臂曲梁式能量采集器。采用曲梁式结构能在较小空间范围内提高压电体的表面积从而提高了能量采集效率,同时曲梁结构还能较好的适应微机电系统对压电俘能器严格的尺寸限制。该文假设该悬臂曲梁式压电俘能器仅处于面内振动状态,并定义了其位移模式。仿真结果表明,随着曲率半径的增大,压电俘能器的俘能性能随之提高,当基底材料的弹性常数和密度均较小时,即使没有集中质量的调节,该曲梁式压电俘能器仍能在较低的谐振频率下俘获周围的振动能量。     

半电极压电纤维能量收集动力学建模与仿真

半电极含金属芯压电纤维能将环境振动通过弯曲变形转换成电能。运用分析力学方法建立了半电极含金属芯压电纤维能量收集装置的理论模型,推导了在谐波激励下,经过AC-DC转换后的归一化能量表达形式,分析了能量收集效率受金属芯与压电层的半径比、柔度系数比、压电材料的机电耦合系数及外界激励方向的影响,分析结果表明,当半径比达到2.4,材料机电耦合系数达到0.4,能量收集效率会接近相对最大值。本研究结果适用于压电纤维能量收集装置的分析与优化设计。     

非线性压电-电磁复合式俘能器的结构设计

非线性技术可使压电式能量采集获得较宽的振动频率和较高的输出电压,该文基于非线性振动研究提出了一种新型的非线性压电-电磁复合式俘能器,将非线性压电-电磁复合式俘能系统等效为含有非线性刚度的质量-弹簧-阻尼振动系统,推导出俘能器的总输出平均功率公式。在0.6g简谐激励下,磁铁间距为2.5 mm,3mm,4mm时,对非线性压电-电磁复合式俘能器进行了实验测试,结果表明,随着磁铁间距的减小,引力增大,非线性俘能器的谐振频率降低,3dB带宽升高。     

多向振动俘能器设计及能量收集实验研究

针对线性、单一的振动能量俘能器存在工作频带狭窄、只能采集单向振动等问题,该文提出了一种适应货运列车等多向振动应用场景的新型多向振动俘能装置,以增强对环境中振动能量的俘获。该装置结合压电和电磁俘能器,通过螺旋圆柱弹簧和顶端质量有效捕获多向振动,并通过磁力传递振动能量至压电梁。合理设计了弹簧-质量结构,使其在较低的频率范围内可实现多种振动模态,拓宽了俘能器的谐振频带。为了充分利用压电材料,采用了变宽度压电悬臂梁,使应力均匀分布。压电梁自由端的永磁体随着压电梁的振动而产生变化的磁场,在线圈中产生感应电压。通过有限元分析和实验测试,验证了复合式俘能器可以采集多向振动能量,并测试了在z向振动激励下压电、电磁及复合式俘能器的最大输出功率。在频率9.5 Hz、z向振幅2 mm的正弦波激励下,复合式俘能器输出最大功率为3.276 mW。该系统在理论上可为低功耗传感器提供持续电力,为机械能收集与能量转换领域提供技术支持。     

一种冲击式悬臂梁压电俘能器的设计与实验

为提高悬臂梁压电俘能器的俘能效率,提出了一种冲击式悬臂梁压电俘能器。该俘能器包括多个悬臂梁压电振子,可在风力、人体动力能及环境振动能等多种外载荷作用下产生电能。俘能器的核心部件是悬臂梁压电振子,通过冲击实验发现悬臂梁压电振子在周期性冲击载荷作用下拓宽了共振频率,同时提高了输出功率。测试结果显示在频率约为21Hz的方波冲击信号下,外接电阻为50kΩ时,单个悬臂压电俘能器最大输出功率可达0.28mW;当频率分别为5Hz、8.5Hz时,还可分别输出0.07mW和0.17mW的功率,俘能器出现多个峰值电功率。研究表明所设计的冲击式压电俘能器可有效提高俘能效率。     

基于压电材料的振动能量回收技术现状综述

随着微机电系统(MEMS)技术的迅猛发展,基于压电振动的能量回收技术可以为MEMS提供电能,受到国内外众多学者的关注。该文介绍了压电式振动能量回收装置的工作机理;分别从能量回收装置的结构和材料、能量转化的接口电路、能量的存储技术、能量回收的应用实例等方面系统的介绍国内外的主要研究成果和研究进展;并对压电振动能量回收技术的发展方向进行了预测。     

面向压电能量收集的传感器自供电电源设计

随着物联网传感器网络的快速发展,微弱能量收集电路因其诸多优越性而备受关注。该文设计了一种基于压电能量收集技术的电路,其通过收集环境中的低频机械振动能量,经压电陶瓷(PZT)换能器产生交流电压,再经四倍压电路放大,并通过LTC3588-1电源管理电路整流变换,最终产生一个可供低功耗传感器工作的可切换的标准电压。实验结果表明,该电路可有效支持低功耗传感器正常工作。     

压电能量收集器件基于有限元仿真比较和研究

利用压电材料制作的器件采集环境中的振动能量,并转化为电能的微尺度器件正日益受到广泛关注。通过有限元仿真分析,研究了新颖的垂直式纳米线阵列结构(VING)和常见的压电悬臂梁结构的能量收集性能。在更贴近实际情况的低频条件下计算了75 000根纳米线阵列结构和压电悬臂梁结构的输出电压以及单位体积能量输出功率,并指出了其各自的特点。最后得出结论:VING更适于在振动强度较大的环境中工作,而悬臂梁结构则更适于在接近其谐振频率的环境中工作。     

基于模态分离技术的3×n阵列式低频宽带压电振动发电机的设计研究

针对传统压电发电机固有频率单一,频率采集范围窄和能量采集效率低等缺陷,且无法满足当前无线传感器在特殊工作环境中所需的宽频带和大功率输出.本文基于模态分离技术提出了一种3×n阵列式压电发电结构,并利用COMSOL有限元仿真软件对其进行仿真分析,优化参数后3×5阵列式采集系统在低于50Hz的频率范围内带宽为15.6Hz.实验测试结果发现3×5阵列式发电机的带宽拓宽至13.8Hz;同时在11Hz的共振频率下,最优负载电阻值为350kΩ时,可获得的最大输出功率为2.12mW;最后测试其半功率（1.05mW）带宽达15.3Hz.本文所提出的模态分离技术使阵列采集系统的带宽明显提高且输出功率增大,这个优异的输出性能使得其在多源、宽频振动环境中具有明显的优势.     

一种高效压电式能量回收接口电路的优化设计

阐述了几种压电发电机接口电路的工作过程和原理,包括标准能量回收电路,同步电荷提取电路,并联同步开关电感电路,串联同步开关电感电路和双同步开关电感电路,并从阻抗匹配角度分析了以上五种电路输出最大功率时的最佳负载阻抗范围。为了最大化地回收自然界中的振动能量,以双同步开关电感电路为例,针对其控制过程复杂且要求精确的特点,提出了一种具体的硬件电路实施策略并进行了Pspice仿真。仿真结果与理论值吻合。     

压电振动能量收集电路的设计与实验研究

压电材料可将机械振动能转换为电能,但其产生的电能较小且具有交流特性,有必要建立储能电路将压电振动产生的电能储存起来并输出稳定的直流电。根据压电构造方程,建立压电振动能量收集系统的耦合场数学模型,对输出电压和最大输出功率进行数值模拟。设计与制作了一种以电容为储能介质的储能电路,通过电压比较器和电压调节器来保证稳定的直流输出。实验结果表明该储能电路能提供稳定的2.24V的直流输出电压,储能效率最高可达66.3%,并分析其能耗及误差产生的原因。     

压电能量收集中储能器件的研究

目前压电振动能量收集成为微能量领域的研究热点.由于收集的能量较小,因此需要储能器件把收集的能量存储起来以便为电子元件供电.比较了常用的储能器件,包括电阻、电解电容器、超级电容器和可充电电池.研究了这些器件的充放电特性和应用状况,比较了这些器件的优缺点,结果发现,超级电容器可在低压状态下为电子元件有效供电,适合在压电能量收集中推广应用.     

基于声学黑洞的压电俘能结构系统仿真与优化

薄板结构中的声学黑洞(ABH)可降低弯曲波的相速度,同时增大振幅,在声学黑洞区域产生高能量密度和能量聚集效应,与压电俘能结构相结合,可提升能量转化效率。该文首先建立了基于声学黑洞的压电俘能结构的有限元模型,对比分析了均匀板及声学黑洞结构的动能密度及电压输出特性;基于有限元法推导了压电振子等效电路模型,并通过Multisim软件建立压电俘能全系统等效电路耦合模型,确定了负载电路最优电阻,提高系统俘能效率。     

基于非完美声学黑洞的压电能量收集系统

针对高频压电振动能量回收效率低的缺点,提出了一种基于非完美声学黑洞的压电阵列式能量收集系统。首先建立了非完美声学黑洞薄板结构模型,并分析了在时域和频域条件下能量聚集特性,非完美声学黑洞结构能量集聚于中心平台的多个位置。然后建立了阵列式压电俘能系统实验模型,结构中心平台上能量聚集点的输出电压存在较大的相位差,通过引入整流电路消除此相位差,对比分析了整流前后串、并联电路的输出电压,结果表明,整流后系统输出电压能力得到了较大提高。