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。     

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。     

梯形梁压电俘能器的特性研究

传统悬臂梁压电俘能器通常采用矩形梁结构,其压电片宽度为定值,对于压电片的利用效率有限。该文设计了一种梯形梁结构,将悬臂梁及其上附着的压电层设计为梯形,压电片宽度沿梁长方向逐渐变窄,并针对梯形梁结构的压电俘能器进行理论研究、仿真计算与实验分析,同时与传统矩形梁俘能器进行了对比。结果表明,同样的谐振状态下,梯形压电片中应力分布比矩形压电片中更均匀,且梯形梁压电俘能器具有更高的电压输出。     

不同边界条件下d_(15)模式压电俘能器的俘能性能

该文考虑了全夹持和半夹持边界条件分别对d15模式压电悬臂梁俘能性能的影响。基于铁木辛柯梁理论建立了d15模式压电双晶片悬臂梁装置理论模型,并制作了半夹持结构悬臂梁的实验装置模型,测量了其在不同频率和不同负载电阻下的压电俘能性能。结果表明,设计的半夹持结构悬臂梁俘能器具有更优异的俘能性能和在低频环境下俘能的潜能。     

变截面悬臂梁压电俘能器动力学特性分析

提出一种变截面悬臂梁压电俘能器结构,通过有限元仿真分析其振动特性和输出电压,有利于提高发电性能。该俘能器结构固定端为等截面梁,自由端为变截面梁,压电层粘贴在悬臂梁根部等截面梁表面,改变悬臂梁自由端与固定端的宽度比,得到多种不同形式的变截面悬臂梁。对比分析了三角形梁、矩形梁和具有不同宽度比梯形梁的固有频率、应力和应变分布及简谐激励输出电压响应。结果表明,三角形梁固有频率较大,输出电压最大,同时分析了不同变截面段长度对输出电压的影响。该文还分析了具有相同一阶频率、不同宽度比俘能器的输出电压,表明三角形结构单位体积压电层输出电压最大。对比分析了基体层上根部粘贴压电片和全部粘贴压电片的输出电压特性。结果表明,前者输出电压较大,发电性能更好。     

一种机械式多稳态压电俘能器及其特性研究

该文提出了一种机械式非线性多稳态压电悬臂梁装置。利用集中参数法建立了系统的数学模型,分析系统势能可知,随着系统参数的变化,系统具有多稳态的特性;采用数值仿真法分析了在简谐激励和随机激励下系统的运动状态及俘能性能。结果表明,在简谐激励下,中低频环境中系统为三稳态时具有较好的俘能特性,高频环境中系统为单稳态时具有较好的俘能特性;在随机激励下,系统为三稳态时能在较低噪声强度下越过势垒而做大幅运动,从而输出较大电压;随着噪声强度增加,阱间运动发生的频率增加,输出电压也增加。     

含槽变截面悬臂式压电俘能器性能研究

为了俘获更大的能量,提出了一种含槽变截面悬臂式压电俘能器。首先,梁形式采用给定的指数函数进行变化,并且在内部挖槽;其次,推导对应的振动方程,参考相关文献确定振型表达式,进而写出相应的特征方程,推导出电压和输出功率表达式,并根据电压和输出功率确定最优指数。结果表明,在保持梁长度不变的前提下,锥形梁的弯曲程度系数越大,则输出电压及功率越大,但系统的特征频率也将变大。     

不锈钢基压电厚膜俘能器的制作与性能测试

由于硅基底断裂韧性低及压电厚膜有利于提高俘能器输出功率,因此,该文提出在304不锈钢基底上制备PZT压电厚膜俘能器。304不锈钢薄片既作为基底又作为下电极,金属Pt/Ti结构作为上电极。不锈钢基底厚为30μm,采用电流体驱动雾化沉积制备5μm厚的压电材料,通过对压电材料XRD表征,得到了在(110)晶向择优取向的钙钛矿结构。设计了长20mm、宽5mm压电悬臂梁结构俘能器。实验表明,压电俘能器的谐振频率为81Hz,当加速度为0.69 g(g=9.8m/s2)时,输出开路电压峰-峰值为1.3V;负载电阻为260kΩ时,输出功率最大(为0.758μW),对应的功率密度为3.19mW·cm-3·g-2。     

阵列式压电俘能拓宽频带的研究

压电俘能器只有在谐振频率附近较窄的频率范围才可获得最佳的功率输出。多个压电俘能器采用阵列连接可实现频率拓宽。该文定义了组成阵列的悬臂梁谐振频率之差Δf_r(即│f_1-f_2│)与单个梁带宽BW(即半功率点对应的带宽)之比,即Δf_r/BW,以其大小来探究阵列悬臂梁的频率差在什么范围内能拓宽阵列频带BWa。并对串、并联阵列进行了理论和实验研究,结果表明,悬臂梁的谐振频率差在一定范围内时,阵列连接既可提高输出功率也可拓宽频带。悬臂梁在该文设计的尺寸和材料内,单个梁的带宽为3.5 Hz时,对于3个梁的并联阵列,Δf_r/BW<0.657;而串联阵列,Δf_r/BW<2.571。     

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。     

低频宽带压电能量采集器的设计与性能分析

为解决悬臂梁式压电采集器存在的高谐振频率和窄工作频带问题,设计了一种由n段梁和n个质量块构成的新型采集器。首先考虑在尺度效应影响条件下建立微段梁的动力学模型,并实验验证了模型的准确性。进而建立了新型采集器的动力学模型,推导了其外界激励的响应及输出电压计算公式。最后以n=2为例讨论了其谐振频率和输出电压方面的性能。结果表明采集器的谐振频率得到大幅降低,在50 Hz以下存在15.25 Hz和23.08 Hz两个谐振点,在20.32 Hz有效工作频带内,输出电压在80 mV以上。     

一种直角螺旋悬臂梁结构的压电能量收集器

提出了一种2π弧度的直角螺旋悬臂梁结构的压电能量收集器。该设计一方面可以降低谐振频率,另一方面可以提高单位体积的能量收集效率。悬臂梁整体结构厚度为2 mm,宽度为6 mm,整体尺寸大小为22 mm×26 mm。当施加的激励为0.1g加速度时,仿真输出电压为1.95 V,测量输出电压为1.8 V,相对电压误差为7.7%;仿真谐振频率为269 Hz,测量谐振频率为265 Hz,相对频率误差为1.5%;理论输出功率为7.04μW,测试输出功率最大为5.79μW,相对功率误差为17.8%。该压电能量收集器适用于便携式微电子系统。     

悬臂式压电能量采集器模型修正

该文以悬臂式压电能量采集器为研究对象,针对Erturk推导的分布参数模型速度频率响应函数（VFF）仿真时发现在0~20 Hz时存在偏差问题,提出了VFF修正方法。首先介绍了含集中质量块的分布参数模型的VFF推导过程;然后通过0~20 Hz内的仿真分析,发现出现较大误差的原因是VFF表达式的第一项,因此,引入含参数α的正弦函数来减小误差。考虑到正弦函数的引入又将导致第二项产生误差,在第二项中引入含参数β的正切函数来减小误差;最后通过误差分析确定参数α、β的最优取值范围,并进行实例分析。结果表明,修正后分布参数模型下的速度频率响应与实验结果吻合。     

压电电磁复合式振动能量采集器模型的研究

针对目前单一化的压电式或电磁式机械振动能量采集装置最大输出功率较低的问题,设计了一种新型的压电电磁复合式能量采集器。通过对复合式能量采集器建立数学模型,推导出了电压、电流及输出功率的表达式。然后对复合式能量采集器的输出功率特性进行数值仿真,并设置压电片内阻值及其他参数条件,对比分析复合式能量采集器模型与单一的压电式或电磁式能量采集器模型,理论上输出功率提高了38.2%和4.74%。最后通过对采用悬臂梁结构的振动能量采集器的具体实验数据进行分析,论证了压电电磁复合式能量采集器输出功率的高效性。     

一种螺旋悬臂梁结构压电能量收集器

提出了一种螺旋悬臂梁结构的可植入式压电能量收集器,这种结构的能量收集器可为植入式医疗器件供电。螺旋结构的设计一方面可以使悬臂梁从多个方向的振动中吸收能量,另一方面还可以降低谐振频率。提出的悬臂梁整体结构厚度为40 μm,宽度为1 mm,整体外部大小为 9 mm×9 mm。该结构中,悬臂梁的末端附上质量块,进一步降低悬臂梁的谐振频率。该收集器的谐振频率为66 Hz,当施加的激励为1g加速度时,输出开路电压为2.2 V,输出功率为4.8 μW。     

基于压电材料的振动能量收集器的谐振频率调节

振动能量收集器的最大输出电压发生在共振状态,因此其谐振频率应与环境振动频率一致.针对振动能量收集器与环境频率不匹配的问题,采用单自由度模型分析了悬臂梁-质量块结构的振动能量收集器谐振频率等性能,加工并测试了压电式的微型振动能量收集器样机,结果谐振频率的误差最大为6％.通过质量调节方法进一步将样机的谐振频率调节了10.5 Hz的宽度.针对50 Hz的振动环境,将谐振频率为58.7 Hz的样机调节到了50.4 Hz,输出电压提高了4倍.