复合压电水平悬臂梁振动俘能特性试验及机电耦合模型研究

压电悬臂梁具有较好的振动俘能特性,然而其复杂力电特性及模型相关研究的不充分性导致实际应用受到制约。鉴于此,开展复合压电水平悬臂梁振动俘能特性试验及模型研究：首先,基于电路和结构基础设计搭建压电悬臂梁振动能量转换电能的试验系统,试验结果显示,压电悬臂梁俘能系统能量转换能力受外部激励频率、内部电路负载以及结构设计配重等条件的影响,其机电转换特性复杂,电压/电流-应变关系曲线呈近似椭圆形,功率-应变关系曲线呈近似蝴蝶形,还观测到由于结构自身及其配重的重力效应导致特性曲线形状呈现偏置现象;然后,提出力电耦合数学模型用于复合压电水平悬臂梁系统俘能的力电特性描述,通过与试验数据比较,验证该模型不但可以精确预测振动回收的电能(功率),还可有效模拟电压/电流-应变和功率-应变的复杂力电特性,且对试验特性曲线存在的偏置现象也能较好的模拟。试验和模型研究成果将对压电悬臂俘能系统在工程领域的进一步应用提供必要的理论基础。     

线形-拱形组合梁式压电俘能器振动特性研究

为揭示线形-拱形组合梁式双稳态压电俘能器系统参数对其动力学响应特性影响规律,利用磁化电流法及广义Hamilton变分原理,分别建立压电俘能器非线性磁力模型及系统分布式参数模型;采用谐波平衡法对俘能系统响应特性进行分析,讨论不同磁铁间距、激励幅值、负载阻抗等参数对系统幅频响应及输出功率的影响规律,并进行实验验证.研究结果...     

宽频压电振动俘能器的研究现状综述

随着便携式电子设备、微机电系统(MEMS)和无线传感器网络的广泛应用,化学电池供能的弊端日益显现。压电振动俘能器可以将环境中的振动能转换成电能,实现低功耗微电子产品的无线供能或能量自给。在实际应用中,为了增强俘能器的环境适应能力,提高其俘能效率,宽频压电俘能技术成为当前的研究热点。介绍了压电振动俘能器的工作原理、常用压电材料和工作模式,综述了宽频压电俘能技术的国内外研究现状,分析了当前研究中存在的问题和不足,提出了未来可能的研究方向。压电振动俘能技术为低功耗微电子产品提供了一种稳定、安全、长久的新供能方式,具有良好的应用前景。     

拱形-线形非线性磁力耦合压电俘能器建模与特性分析

为分析拱形-线形非线性磁力耦合压电俘能器振动特性,利用磁化电流法建立了磁力模型,实验测量并通过数据拟合方法获取了拱形-线形结构非线性恢复力模型,利用广义Hamilton变分原理建立系统的动力学方程.采用谐波平衡法对动力学方程进行了求解,揭示了不同激励条件、不同磁距对俘能器振动特性的影响关系并开展实验研究.结果 表明:拱...     

微结构PDMS压电俘能器设计与特性研究

设计了一种具有三明治结构的微结构驻极体膜,采用旋涂、"软刻蚀"等工艺,结合氧等离子体键合、恒压电晕放电技术,以铜网作为电极,摸索出完整的工艺流程,制作了基于微结构PDMS驻极体的柔性压电俘能器。测量了驻极体膜的压电系数以及力-电特性。结果显示,微结构PDMS压电俘能器的压电系数(d33)为25pC/N;在5N周期性压力下,最大能够产生1.98Vpp的开路电压;驻极体膜的谐振频率为32Hz,且产生的电压与受到的压力呈线性关系。     

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。     

单压电片悬臂梁式压电俘能器效能分析

以线性压电理论为基础,建立了单压电片悬臂梁式压电俘能器的输出功率与压电结构的构型、驱动频率以及外载荷阻抗等物理参数之间的解析关系。数值计算结果表明,优化负载阻抗、金属层厚度以及金属层材料可有效提高俘能器的俘能效率。文中还将单压电片悬臂梁式压电俘能器与双压电片悬臂梁式压电俘能器进行了对比,理论分析结果表明当外界机械振动的频率较稳定时,前者具有更高的俘能效率。     

磁铁夹持式压电俘能器输出性能分析与试验

为满足旋转机械监测系统的自供电需求,针对旋转式压电俘能器存在可靠性低和频带窄的问题,提出一种磁铁夹持式压电俘能器。利用MAPLE仿真软件建立了俘能器动态响应模型,通过仿真分析和试验研究得出了磁铁夹持具有调频的作用。研究结果表明:存在最佳转速使俘能器峰值电压最大,且谐振峰数及最佳转速随动磁铁数增多而减小;随着动磁铁数的增多,激振力的表现形式会由一般周期激励变为简谐激励,最后变为偏置的简谐激励;当动磁铁数为4时,改变中心距L和夹持间距D便可间接改变俘能器系统等效刚度,实现其谐振频率的调节:当L为0,2,4mm时,俘能器出现最大峰值电压所对应的激励频率分别为46.4,38.4,31.2Hz;当D为1,4,7mm时,最大峰值电压所对应的激励频率分别为46.4,38,36Hz,拓宽了俘能器的有效工作频带。此外,在动磁铁数为4,L为0,D为1mm和转速为666r/min时,存在最佳负载400kΩ使俘能器输出功率达到1.3456mW。     

宽频压电振动俘能器的研究现状综述EI北大核心CSCD

随着便携式电子设备、微机电系统(MEMS)和无线传感器网络的广泛应用,化学电池供能的弊端日益显现。压电振动俘能器可以将环境中的振动能转换成电能,实现低功耗微电子产品的无线供能或能量自给。在实际应用中,为了增强俘能器的环境适应能力,提高其俘能效率,宽频压电俘能技术成为当前的研究热点。介绍了压电振动俘能器的工作原理、常用压电材料和工作模式,综述了宽频压电俘能技术的国内外研究现状,分析了当前研究中存在的问题和不足,提出了未来可能的研究方向。压电振动俘能技术为低功耗微电子产品提供了一种稳定、安全、长久的新供能方式,具有良好的应用前景。     

磁力非线性耦合的I-L组合压电梁俘能器发电性能试验研究EI北大核心CSCD

针对线性的压电振动俘能器俘能频带过窄,输出较低等问题,提出了一种磁力非线性耦合的I-L组合压电梁俘能器。俘能器由带永磁铁的I型压电梁和L型压电梁组成,可通过调节两永磁铁间的水平距离,得到不同的非线性磁力耦合效应。试验结果表明:存在最优电阻使压电俘能系统的输出功率最大;对比无磁力系统,磁力耦合的I-L组合压电梁俘能器共振频率发生了明显的偏移:I型压电梁向左偏移,L型压电梁向右偏移,拓宽了系统的俘能频带;当激励加速度为0.2 g水平距离为20 mm、激振频率为18.4 Hz时,俘能器最大可得到1.2 mW的输出功率。     

涡激振动型水力复摆式压电俘能器的仿真与实验研究

针对低速水流的能量收集问题,提出了一种复摆式涡激振动压电俘能器。该俘能器由压电悬臂梁与尾端圆柱平行连接组成,具有免予封装绝缘,振动响应大,易于在低速水流中产生涡激共振等优点。通过流-固-电耦合仿真分析和实验测试的方法,研究了水流流速对复摆式压电俘能器振动和俘能的影响规律。结果发现,俘能器的输出功率随负载电阻先增大后减小,存在最优电阻可使俘能器的输出功率最大。俘能器的振动幅值和功率输出均随流速的增大而先增大后减小,在涡激共振处出现最大值;振动频率整体随着流速的增大而增大,但在涡激共振区域,由于"锁定",俘能器的振动频率基本保持在俘能器的固有频率处。俘能器输出功率随圆柱直径的增大而增大,但涡激振动速度也相应的提高。     

基于压电俘能器的流体能量俘获技术研究现状

随着压电俘能技术研究的深入,研究重点已从俘能器本身逐渐发展为耦合环境振动源的俘能系统研究,其中基于压电效应的流体俘能技术是一个重要研究方向。鉴于此,对其研究现状和发展趋势进行了分析总结,主要包括单一压电振子俘能(涡激振动式、尾流致振式、颤振式、驰振式、雨滴冲击式)和多压电阵子阵列式俘能等。总结发现:涡激振动式和尾流致振式俘能器适合于低速流体俘能;颤振式和驰振式适合于高速流体俘能;为了提高发电能力,高性能柔性压电材料、宽频带俘能和多俘能器阵列俘能是今后的主要发展趋势。     

一种磁耦合激励的涡轮式压电气流俘能器EI北大核心CSCD

为满足气流管道监测系统的自供电需求,提出一种磁耦合激励的涡轮式压电气流俘能器。建立了俘能器的理论模型并进行了仿真分析,设计制作了样机并进行了试验测试,获得了磁铁排布、附加质量、压电振子串并联及负载电阻对其输出特性的影响规律。结果表明:在其他条件确定时,存在多个较佳气压使输出电压出现峰值,主频峰值的大小和分频的位置均与激励磁铁排布有关;通过附加质量可以调节最佳气压和输出电压峰值,采用多个不同附加质量的压电振子串联或并联可以拓宽俘能器的气压适应范围;存在不同的最佳负载使多个压电振子串联和并联时俘能器的输出功率达到最大,最佳负载及其所对应的最大输出功率分别为(40 kΩ,41 mW),(15 kΩ,50 mW)。     

压电复合材料换能器耦合振动特性研究

本文建立了针对压电复合材料的压电复合换能器耦合振动有限元模型,采用有限元方法研究了压电复合材料类型对换能器振动模态与共振频率的影响,并对换能器共振频率与压电复合材料结构几何尺寸之间的关系进行研究。结果表明:压电复合材料类型不同,换能器的振动模态振型会发生改变,并且其前两阶共振频率差值会因压电复合材料的基体材料的杨氏模量和泊松比的不同而发生变化,即共振频率差值随着基体材料杨氏模量的增大而增大,但随着泊松比的增大而减小;而且共振频率与压电复合材料的结构几何尺寸有关,即随着压电复合材料厚度的增大,换能器的纵向振动频率与弯曲振动频率都会逐渐减少,但两频率之间的间距是逐渐拉大的。     

基于相场函数的压电复合材料俘能器拓扑优化设计

提出了一种基于相场函数的压电俘能器拓扑优化设计方法,通过设计俘能器的材料分布提高其工作效率。其中,利用相场函数描述俘能器上压电材料与基体材料(环氧基树脂)的分布,并建立以相场函数节点值为设计变量,以特定频率激励下俘能器的能量转换因子最大化为目标的拓扑优化模型。该文给出了目标函数和约束函数的灵敏度分析,并采用移动渐近线方法对优化问题进行求解。数值算例验证了所提出的数学模型与设计方法的可行性和有效性。     

变截面悬臂梁压电俘能器集总参数模型修正

以变截面悬臂梁压电俘能器为研究对象,推导含端部集中质量的分布参数与集总参数模型运动方程及传递函数,并利用分布参数模型的解析解来修正集总参数模型的近似解。修正分为频率修正和幅值修正,通过分析发现,在梁自由端与固定端宽度比值较大的情况下,系统固有频率近似解的相对误差变大,根据此规律对集总参数模型固有频率进行修正,并在此基础上对相对运动传递函数引入修正系数,对幅值进行修正。通过和文献数据对比验证模型修正方法的正确性,表明其适于得到进一步应用和推广。     

新型双稳态压电振动俘能系统的理论建模与实验研究

针对线性压电俘能系统的共振频带窄、俘能方向单一、发电效率低等问题,设计了一种双稳态磁力耦合多悬臂梁俘能结构。利用广义Hamilton变分原理建立了系统分布式力-电-磁耦合模型,结合数值计算和实验验证方法揭示了磁铁间距、外界振动激励条件对压电俘能系统响应特性的影响规律。研究结果表明:在合适的磁距和外界振动激励条件下,系统的输出电压可达18V,是线性压电振动俘能系统的3.5倍,有效工作频带是线性压电振动俘能系统的3.1倍,说明双稳态压电振动俘能系统具有明显拓宽有效工作频带和提升发电效率的能力,为压电俘能系统工程化应用提供了理论依据。     

雨滴冲击下双稳态压电悬臂梁俘能装置动力学特性及实验研究

利用双稳态压电悬臂梁俘能装置将雨滴动能转换为电能.建立双稳态压电悬臂梁俘能装置的力学模型及控制方程,通过简化获得了单个雨滴冲击力的数学模型,采用对数正态分布函数模拟了不同降雨强度下雨滴直径的随机分布.利用数值仿真,研究了不同雨滴直径及不同降雨强度对俘能系统动力学特性及发电性能的影响.搭建了雨滴冲击发电实验装置,实测雨滴...     

基于磁性液体的磁浮式振动俘能器系统建模与输出性能分析

针对现有振动俘能器输出功率低、工作频带范围小等问题,提出了一种基于磁性液体的非线性磁浮式振动俘能器新型结构。提出新型俘能器的结构形式,分析其工作原理,建立磁偶极子非线性力学模型,对比仿真结果与试验数据,验证其准确性;分析磁性液体的二阶浮力和黏性阻尼,建立其数学模型,运用多尺度变换方法求解俘能器动力学方程的近似解,进而获得输出性能响应模型;分析三类系统结构参数和激励加速度变化对俘能器输出性能的影响,对比了有无磁性液体时俘能器的输出性能。结果表明：磁铁间距、悬浮磁铁与磁性液体的总质量和激励加速度能有效地改变俘能器的工作频率范围和输出功率幅值,而阻尼比主要影响输出功率幅值。新型俘能器输出电压峰峰值和输出功率峰值分别达到426.88 mV和0.56 mW,增加磁性液体后输出电压和功率分别提升了22.67%和75%,对比其它低频振动俘能器,具有较优的输出功率特性。新型磁浮式俘能器的结构形式与建立的动力学模型能为拓宽此类俘能器工作频带范围和增强输出功率性能提供新的解决思路,具有良好的参考价值。     

道路用堆叠式压电俘能单元制备与应用性能

针对现有压电换能器用于道路工程存在技术缺陷,优选出适用于道路发电的堆叠式俘能单元结构并优化尺寸,制备8种路用堆叠式压电俘能单元,借助力学性能试验评估结构强度,开发出压电俘能单元测试夹具并搭建发电性能模拟测试系统,研究了压电俘能单元的发电性能,测试了发电路面小尺寸试件的能量输出效果。结果表明:制备的堆叠式压电俘能单元结构强度良好,能够满足发电路面施工及工作的使用要求;在试验研究范围内荷载大小、加载频率、压电陶瓷片厚度及堆叠层数均与压电俘能单元的发电性能正相关,单片厚度为1.0 mm的堆叠式压电俘能单元输出的最大开路电压可达37.8 V、最大功率可达183.2 m W;典型发电路面小尺寸试件能够实现11.06 m W的能量输出,具备了理想的应用前景。