压电俘能器阻抗匹配分析及实验研究

为了研究负载电阻对压电悬臂梁振动俘能性能的影响,使用有限元法对直接与负载相连的悬臂梁压电振子进行压电-电路耦合分析,得到了负载电阻对压电俘能器谐振频率、输出电压和功率的影响关系,并进行实验验证.研究结果表明,随着外接负载电阻的增大,俘能器谐振频率有所增加,从短路谐振频率到开路谐振频率变化范围可达到2 Hz.此外,负载阻值的大小也会影响俘能器的发电能力,负载电阻越大,输出电压越高,但存在匹配电阻使压电俘能器的输出功率达到最大.因此,通过合理选用负载电阻可实现固有频率微调谐和增加发电能力的目的.     

多质量块宽频压电能量收集器

为了提高压电能量收集器的工作频带宽度、降低其固有频率并提高收集效率,设计了一种多质量块宽频压电能量收集器。建立多质量块压电悬臂梁的理论模型,分析质量块位置对输出功率的影响;有限元分析质量块数量对输出电压和固有频率的影响;搭建试验台,对多质量块宽频压电能量收集器进行测试。实验测得：随着悬臂梁自由端质量块数量的增加其一阶固有频率由62 Hz降至28 Hz,工作频带宽度增加39.3%,输出功率由17 mW增加至31 mW,且整流后得到的功率是桥式整流电路的1.31倍。实验结果表明,随着质量块数量的增加,压电悬臂梁的一阶固有频率降低,频宽增大,输出功率增加,且新的能量收集电路的转换效率比桥式整流电路高。     

多质量块宽频压电能量收集器

为了提高压电能量收集器的工作频带宽度、降低其固有频率并提高收集效率,设计了一种多质量块宽频压电能量收集器。建立多质量块压电悬臂梁的理论模型,分析质量块位置对输出功率的影响;有限元分析质量块数量对输出电压和固有频率的影响;搭建试验台,对多质量块宽频压电能量收集器进行测试。实验测得:随着悬臂梁自由端质量块数量的增加其一阶固有频率由62 Hz降至28 Hz,工作频带宽度增加39.3%,输出功率由17mW增加至31mW,且整流后得到的功率是桥式整流电路的1.31倍。实验结果表明,随着质量块数量的增加,压电悬臂梁的一阶固有频率降低,频宽增大,输出功率增加,且新的能量收集电路的转换效率比桥式整流电路高。     

基于Hamilton原理的压电悬臂梁模型建立与分析

根据哈密顿(Hamilton)原理建立了压电悬臂梁(压电梁)能量转换模型,利用数值模拟和实验测试的方法研究了压电梁在固定端受到位移激励时结构尺寸、材料特性和激振频率等对其发电能力的影响规律。研究表明,当基板材料相同时,单、双晶压电梁均存在最佳厚度比(基板/总厚)使其输出电能最多;当基板材料不同时,最佳厚度比随杨氏模量比(基板/陶瓷)增加而减小,铜、钼基板构成的单、双晶压电梁的最佳厚度比分别为(0.7,0.35)和(0.45,0.2);当厚度比(0.5)和激励条件相同时,杨氏模量比对单、双晶压电梁发电能力影响不同;调整单、双晶压电梁自由端质量块使其工作在谐振状态,可显著提高压电梁的发电能力。     

基于Ansys的0-3型压电振子的有限元分析

0-3型压电复合材料以其柔软性,易加工成型和制备工艺简单等优点,具有广泛的应用前景.该文利用0-3型压电复合材料作为压电悬臂梁压电振子的压电体,利用Ansys软件对振子做有限元分析,包括静态和模态分析,得出压电振子各参数对其发电能力及谐振频率的影响:振子发电能力与外力及振子的长度成正比,与振子宽度成反比,存在最佳长度比和厚度比;振子的固有频率与长度及质量块的质量成反比,宽度对固有频率的影响较小.这些数据为压电悬臂梁的结构参数提供设计依据.     

基于分块压电悬臂梁的压电地板单元研制

为了提高压电地板的发电功率,将压电圆盘或正方形压电结构分块成悬臂梁。有限元静态分析表明,当承重和材料体积相近时,三角形分块的输出功率分别是方形分块和压电圆盘的20倍、7倍;对比分析了顶角为60°、90°、120°的三角形悬臂梁压电地板单元的发电性能,发现减薄压电片和基板厚度使踩踏位移相同时,3种压电地板单元的输出功率相同;若压电片和基板厚度相同,顶角为60°的三角形分块压电地板单元输出功率最大。用6个60°三角形压电悬臂梁制作压电地板单元,以手按压,可轮流点亮两个发光二极管。     

压电式发电的悬臂梁结构参数分析

针对如何提高悬臂梁压电式发电效率的问题,通过所建立的压电转换模型,分析了结构参数对输出电压的影响,在设计悬臂梁的结构参数时,尽量在结构强度允许的条件下,选择大的附加质量块与压电双晶片宽度,是获得较大输出电压的重要方法.分析还表明,虽然压电双晶片的长度lb对输出电压影响较大,为满足压电发电装置的微型化要求,在设计中参数限制了lb的选取范围.在低频工作区,参数附加质量块与悬臂梁沿x轴方向上的接触长度lm、压电陶瓷层的厚度tc对输出电压作用较弱.经设计与搭建的实验平台及测试系统,进行了测试结果与仿真分析相比较,结果表明理论分析是可信的.     

圆盘式压电双晶片发电性能和耦合电路的仿真分析与研究

以有限元分析法为理论基础并搭配ANSYS软件,建立圆盘式压电双晶片振子的模型,研究压电振子半径、压电层厚度和支撑层厚度对其发电能力的影响。并在此基础上探讨压电-电路的导纳阻抗及输出功率特性。着重研究压电双晶片在串联和并联两种连接方式之间的差异。研究结果表明,在保证可靠度和固有频率的前提下,应尽量增加压电振子半径,减小振子的基板厚度,以获得最大的输出电压。串联方式的输出电压大,内部阻抗高,适用于后续负载阻抗较高的能量采集系统;并联方式的内部阻抗较串联式低,适用于后续负载阻抗适中的能量采集系统。而当在两种电路连接方式下的外部电阻达到最佳电阻值时,两者最佳输出功率相同。     

基于行车风压的谐振腔式压电俘能器研究

针对汽车行驶过程中车载传感器需要持续稳定的供能需求,设计一种以谐振腔结构为主体,扰流圆柱与亥姆霍兹谐振腔为辅助的压电俘能器。为研究俘能器的发电性能,设计其最佳结构,建立流固电耦合仿真模型。仿真时,根据实际风压分布,将风压载荷分区加载到压电发电模块。仿真分析结果表明,基板与压电陶瓷的厚度比对压电悬臂梁的输出电压和固有频率有影响,最佳厚度比为1.25;基板与主腔体间间隙、扰流圆柱直径、亥姆霍兹谐振腔皆存在最佳尺寸参数使压电俘能器发电性能达到最佳;负载电阻在400～600 kΩ内时,可获得最佳的输出功率;风速为15 m/s时,最大输出功率为37.3 mW。     

变负载压电悬臂梁共振频移量研究

基于Euler-Bernoulli梁原理研究了铝基双晶串联压电悬臂梁电压频响和短路-开路共振频移量问题。以悬臂梁总厚度和压电陶瓷厚度为影响参数,首先推导了输出电压的单/多模态解,再以单模态解为基础,分析了不同厚度压电悬臂梁短路-开路共振频移量。研究结果表明,与多模态解相比,单模态解的估计性良好,且计算简便。在任意变负载区间内,存在最劣压电陶瓷厚度,使短路-开路共振频移量最大。因此,在进行压电悬臂梁结构设计时,应尽量避开最劣点,使外部负载具有最佳适应性,提高能量回收效率。     

基于PVDF的枕形压电发电装置性能仿真分析

提出了一种枕形压电发电装置,为了解该压电发电装置的发电性能,该文对其进行了有限元仿真。结果表明,弹性金属基片厚度、弧形压电梁宽度及初始曲率半径的增加将引起压电发电装置压电薄膜输出电压的降低;弧形压电梁的长度及弹性模量比的增加将引起压电薄膜输出电压的不断升高;压电薄膜厚度的增加将使其输出电压先增大后减小;弧形压电梁内侧压电薄膜的输出电压都要大于外侧压电薄膜的输出电压,且铍青铜基片压电梁要优于钢基片压电梁。     

考虑疲劳寿命的压电悬臂梁结构优化设计方法

提出了一种插入式的压电悬臂梁结构,通过将其末端质量块转化成等效惯性力和惯性力矩,得出了求解其固有频率的理论公式。在此基础上,设计了一系列一阶固有频率相同、长宽比不同的压电悬臂梁。通过ANSYS模态分析发现,理论计算和仿真结果的误差均在5%以内,证明了这种求解压电悬臂梁固有频率方法的可行性。通过瞬态分析得出,随着长宽比的增大,压电悬臂梁的输出电压及压电层的最大应力随长宽比呈近似线性关系增大,这种线性关系对于压电悬臂梁的性能预测很有意义。最后通过疲劳分析软件nCode DesignLife,求解出了各压电悬臂梁的疲劳寿命,并以此为依据,选取了最优的结构设计方案。为压电悬臂梁的结构优化设计建立了一种新的、相对完整的方法。     

蝴蝶式多层悬臂梁压电发电装置研究

为了提高压电发电装置的发电能力,设计了一种新型的蝴蝶式多层压电悬臂梁。为了研究该装置中每个压电双晶梁的发电性能,建立了在自由端外力作用下压电悬臂梁的输出电压理论模型,以此用来分析压电双晶梁的开路输出电压。制作了多层压电发电装置,并搭建实验平台对装置的发电电压进行实验测试,将实验测试数据与理论计算结果进行比较,两者误差小于10%。将发电装置中的6层压电片串联后研究发现,装置的发电电压基本不变,而发电功率可达单层的6倍,说明该新型蝴蝶式多层压电悬臂梁结构可提高发电能力。     

悬臂梁基底对压电俘能器输出响应的影响分析

悬臂梁的材料与结构对压电俘能器的输出响应具有重要影响。为了 研究在1.5~5.8 m/s低风速环境下不同基底材料对接触式压电俘能器的影响,该文选择聚氯乙烯（PVC）、304不锈钢、1060铝和H68黄铜材料为基底的柔性聚偏氟乙烯（PVDF）压电悬臂梁结构,并进行了对比实验与分析。结果表明,以304不锈钢为基底的悬臂梁结构输出功率最大。通过计算不同基底材料梁的结构参数发现,在低风速工况下,梁的结构刚度与减幅因数是影响压电俘能器输出性能的主要因素。同等工况下,梁的结构刚度越小,接触式压电俘能器的启动风速越低,风致振动的激振力频率越高;减幅因数越小,悬臂梁的输出功率越大。     

压电曲梁俘能器的机电耦合方程及其研究

使用哈密顿原理,建立了纯弯曲压电曲梁俘能器的机电耦合偏微分方程,对悬臂边界条件下的压电曲梁俘能器进行了模态分析,得到了俘能器在基础两向振动激励下的模态坐标方程;求解了俘能器在激励下电压与模态响应的稳定解。数值计算实例分析了激励频率、负载电阻对俘能器的电压及功率响应的影响。结果表明,曲梁俘能器与直梁俘能器的电压、功率响应规律具有相似之处,负载电阻不仅对曲梁俘能器的输出功率、输出电压有影响,也会影响其共振频率。     

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.     

基于ANSYS的工形压电发电装置有限元分析

针对目前悬臂梁压电发电装置的局限性,设计了一种工形的压电发电装置。运用ANSYS有限元软件建立了工形压电发电装置的有限元模型,并进行了静力分析及模态分析。分析结果表明,该工形压电发电装置的最大应变出现在每个转角折弯处,且每个转角折弯处的应变基本一致。根据压电方程可知,该处将产生最大的发电电压,所以在此粘贴压电片将具有最佳的发电能力。通过建立发电装置的压电耦合分析模型,计算得到在0.1mm的位移载荷作用下,每片压电片上将产生约15.1V的电压。最后,对该工形压电发电装置进行了参数化研究,结果表明,当选择长80 mm、宽15 mm、厚0.4 mm的压电工形板时,发电效果最佳,最大发电电压可达16.5V。     

压电悬臂梁俘能器输出特性仿真分析

为了研究压电俘能器的振动频率、内阻抗、负载及输出功率之间的耦合关系,基于ANSYS APDL软件,对单、双晶串联、双晶并联等多种不同配置方式的压电悬臂梁俘能器进行了压电 电路耦合分析。研究表明,俘能器内阻抗随振动频率呈现非线性变化,在短路谐振频率处达到最小值,在开路谐振处达到最大值;俘能器内、外阻抗匹配时,俘能器输出功率达到最优值;俘能器阻尼较小时,最优输出功率出现在短路谐振与开路谐振处,随着阻尼比逐渐增加,最优输出功率出现在两者之间,且只有一个峰值。     

收集人体动能的压电俘能器研究

提出了一种基于压电效应的人体动能转换装置(压电俘能器),并对其发电能力进行了理论和试验分析。结果表明,在一定变形范围内,压电俘能器的输出电能随着激励力的增加而增大;当激励频率和压电俘能器结构尺寸确定时,压电俘能器的输出功率随着负载电阻的变化而变化,且存在最佳的负载使其输出功率达到最大值,最大输出功率是压电俘能器开路时电压和电容的函数,最大输出功率与外接滤波电容无关。在2Hz(行走频率)激振频率下,压电俘能器最大输出功率为0.31mW。