压电悬臂梁采收低频振动能的理论分析与仿真

采收环境振动能量为无线网络传感器供电是近年来研究的热点,目前还没有一个完整的理论和解决方案.文中设计了一种压电悬臂梁结构的环境振动能量采收装置,研究了悬臂梁压电振子结构受激励后产生电荷量与频率的关系,并进行了ANSYS仿真,得出了最佳的机电耦合模型和压电悬臂梁几何尺寸对固有频率的影响的关系.为采收环境低频振动能量,实现网络传感器自供电装置提供了设计的理论依据.     

多向振动压电发电关键技术的研究

环境中振动能量收集效率低的问题是当前压电发电技术研究的焦点。为了提高环境中振动能量的收集效率,研究了一种可以收集环境中多个方向振动能量的压电发电关键技术。首先,利用压电发电技术的基础理论建立压电悬臂梁的数学模型,并对其进行振动力学分析;然后利用ANSYS对压电悬臂梁进行有限元仿真分析,优化结构使其固有频率与环境振动频率相符;最后制作多向压电发电装置,对其进行理论分析和实验测试。实验结果证明,多向振动压电发电关键技术可以有效地提高环境中振动能量的收集效率。     

复合型悬臂梁压电振子振动模型及发电试验研究

单悬臂梁压电振子俘获环境中振动能时,对环境振动频率敏感且频带有限,在谐振频率与环境振动频率不匹配的情况下,会导致压电振子俘能效率低下。基于此,设计复合型悬臂梁压电振子并建立其振动模型,采用激光测振仪对复合型悬臂梁压电振子进行扫频测试。研究结果表明,复合型悬臂梁压电振子谐振频率范围为56～72Hz,与理论分析结果基本吻合,试验验证了理论模型的正确性。相比于单悬臂梁压电振子,复合型悬臂梁压电振子有效地拓宽了其谐振频带,易于实现与环境振动源振动频率匹配以提高压电发电效率。在此基础上,进行复合型悬臂梁压电发电装置的发电能力测试,在负载为820?,工作频率为60Hz时最大输出功率达到4.9mW,产生的能量能够满足网络传感器等低耗能微电子产品的供能需求。     

两自由度悬臂梁压电发电装置的宽频发电性能

研究一种两自由度悬臂梁压电发电装置,以提高悬臂梁式压电发电装置在环境振源振动频率波动情况下的发电能力。建立了两自由度悬臂梁压电发电装置的频率特性理论模型,并对该理论模型进行了有限元仿真验证,结果显示理论计算与有限元仿真结果基本一致。对两自由度悬臂梁压电发电装置的频率特性模型进行了数值模拟,模拟显示:装置的前两阶模态频率比随着长度比、宽度比、厚度比及质量块的质量比的增大均出现一个最小值,且在长度比为0.8,宽度比为2.0,厚度比为1.0,质量块的质量比为0.5时,装置的前两阶模态频率比最小,结果表明通过合理设计两自由度悬臂梁压电发电装置的结构参数,可以使得装置的前两阶模态频率最接近。最后,实例设计了两自由度悬臂梁压电发电装置,并进行了试验测试,证实了优化后的两自由度悬臂梁压电发电装置具有宽频带发电能力。     

悬臂梁式压电发电结构理论模型及其仿真研究

为提高压电悬臂梁发电能力以及将压电发电技术应用到日常生活中,开展了压电振动理论分析,建立了压电装置的发电能力与压电材料的厚度比、长度以及悬臂梁的材料、长度等之间的关系,提出了数学建模的分析方法,在理论上对压电悬臂梁的发电能力进行了评价,并进行了Matlab仿真实验.其结果表明:悬臂梁压电发电模型中,压电材料存在最佳厚度...     

悬臂梁压电发电技术研究

为了进行压电陶瓷材料发电性能测试与研究．研制了一套悬臂梁压电振子发电系统。设计了悬臂梁压电振子,在加速度2．5m／s^2、频率64Hz振动条件下,利用ANSYS进行了仿真。研究结果表明,该压电悬臂梁发电装置能输出85μW的功率,可以满足无线网络传感器工作的需要。     

复合L形宽频压电悬臂梁的建模与仿真

为提高单频压电悬臂梁的振动能量采集转换效率,提出一种复合L形压电悬臂梁的宽频拓展技术,通过在单频压电悬臂梁水平结构中增加一个辅助垂直悬臂梁,组成L形压电悬臂梁,通过控制L形压电悬臂梁的结构和材料参数使悬臂梁的2阶模态频率为1阶模态频率的2倍,将1阶、2阶模态频率串联起来形成一个宽频的谐振带。利用拉格朗日方程和模态假设法建立了L形压电悬臂梁的频率方程和振动方程,通过数值仿真分析了L形压电悬臂梁结构和材料参数对其频率特性和振动特性的影响,并确定了系统的最佳结构和材料参数,实例验证了悬臂梁宽频拓展方法的正确性。     

悬臂梁压电发电装置的实验研究

压电材料在外力的作用下可以产生电荷,将这部分电荷收集起来可以为微功率电器提供电能。在对单层悬臂梁压电发电装置进行实验研究的基础上,设计并制作出多层悬臂梁压电发电装置;对两种装置的实验结果进行研究分析,不仅拓宽了悬臂梁压电发电装置的谐振频带,更有效地提高了其发电能力。     

高温环境下微悬臂梁谐振频率温度特性及测试技术研究

对单晶硅微悬臂梁在高温环境下的动态特性进行了理论分析,研制了高温环境下的MEMS动态特性测试系统,采用压电陶瓷作为底座激励装置的驱动源,设计了一个可动的机构,解决了压电陶瓷在高温环境下使用的难题;通过激励装置进行冲击激励,使用激光多普勒测振仪对微悬臂梁的振动响应进行检测,对微悬臂梁受冲击后的时域信号进行分析,获得微悬臂梁的谐振频率。利用研制的高温环境下MEMS动态特性测试系统,在室温至300℃的温度环境下对单晶硅微悬臂梁的动态特性进行了测试,结果表明随着温度的升高其谐振频率会有轻微的减小,验证了理论分析的结果。     

基于双压电悬臂梁的交变梯度磁力计

针对机械和环境扰动对交变梯度磁力计精密测量的影响,文中开发了一种抵抗强振动干扰的采用双压电悬臂梁结构的交变梯度磁力计。通过施加一定频率及振幅的外部激励对双压电悬臂梁结构的抗干扰能力进行测试,结果显示,当外部激励振幅为12μm、以165 Hz的频率(共振频率)平行于压电双晶片振动方向施加时,双压电悬臂梁与单压电悬臂梁相比,输出电压的相对标准误差降低了53.16%,这表明双压电悬臂梁结构能有效减少机械以及环境扰动的干扰。研制的交变梯度磁力计在强振动环境中的材料磁特性评估方面具有一定的应用前景。     

悬臂梁振动自适应模糊控制及DSP实现

以粘贴压电自感作动器的悬臂梁为研究对象,推导了悬臂梁振动主动控制的压电元传感方程和作动方程的传递函数,给出了压电自感作动器位置配置优化方法,设计了硬件电路以及软件流程.试验结果表明,利用压电自感作动器和模糊自适应控制器可有效地抑制悬臂梁振动.     

基于微型悬臂梁的发电机制探索

微机电系统(MEMS)微型化过程中,要求电源装置也必须向微型化发展.在现有微电源研究基础上,结合微型硅悬臂梁的力学分析以及压电晶体材料压电效应特性,提出一种新的压电陶瓷(PZT)微型硅悬臂梁发电装置.借助微型硅悬臂梁质量块的振动和PZT的正压电效应,实现振动机械能向电能转换.该装置结构简单、体积小、质量小,可以用MEMS集成加工工艺实现结构加工,因此与其他微型MEMS器件可以集成在一个基础上.     

基于ANSYS的悬臂梁压电陶瓷单晶片发电特性仿真分析

以悬臂梁压电陶瓷单晶片为研究对象,对其在不同条件影响下的发电性能进行了研究。利用有限元分析软件ANSYS中的静力学耦合场分析功能,对压电模块中影响悬臂梁压电陶瓷发电装置的位移激励、结构尺寸、材料属性等相关因素进行模拟仿真,得出各因素对悬臂梁压电陶瓷发电装置发电性能的影响规律,为悬臂梁压电陶瓷发电装置的优化设计提供理论指导。     

磁铁间距对双稳态压电悬臂梁俘能器输出特性的影响研究

建立了双稳态压电悬臂梁俘能器的机电耦合动力学方程,基于磁偶极子模型进行了 2 个磁铁间磁力的计算,根据静态平衡点分析得到了系统发生双稳态运动时的磁铁间距范围。数值仿真分析了环境激励源振动频率发生变化时磁铁间距变化对系统平均输出功率的影响规律,设计制作了磁铁间距可调的双稳态压电悬臂梁俘能装置,并进行了环境激励频率变化条件下的压电悬臂梁振动能量捕获实验。实验结果与仿真分析具有较好的一致性,为提高双稳态压电悬臂梁俘能器的发电性能提供了一种有效途径。     

悬臂梁非线性振动的压电分阶最优控制

提出非线性的分阶最优控制策略,并将其应用于悬臂梁非线性振动的压电减振控制.建立悬臂梁非线性压电减振系统动力学模型,导出减振系统的非线性动力学运动微分方程.将梁振动挠度和压电驱动器的控制电压同时展开为小参数形式,利用摄动法实现非线性压电控制微分方程的线性化.通过空间解耦,得到状态空间方程.设计非线性分阶控制器,对该减振系统进行分阶最优控制.     

新型多层悬臂梁压电发电装置发电性能研究

为了提高压电发电装置的发电能力,设计一种新型蝴蝶式多层悬臂梁压电发电装置。基于ANSYS 12.0有限元软件,建立三层悬臂梁压电发电装置的有限元模型,对装置进行了静力分析以及模态分析。有限元分析结果表明,该多层发电装置每一层的应力和变形规律基本一致,符合悬臂梁结构的典型特征。在此基础上,建立单层悬臂梁的压电耦合有限元模型,分析每一层悬臂梁模型的固定端(基座)在承受外界激励载荷作用时的电压分布和电压响应曲线。制作了三层压电发电装置,并对装置的应力、固有频率和开路输出电压进行了试验测试,试验测试结果与仿真结果基本吻合。对单层压电悬臂梁在不同外界激振频率和振幅作用下的发电性能影响规律进行了试验与仿真研究。结果表明:该蝴蝶式多层悬臂梁压电发电装置在受到频率为38 Hz,振幅为1.25 mm的环境振动载荷作用时,具有最佳的发电性能。     

压电微悬臂梁传感器性能的数值模拟研究

基于力-电双向耦合理论,采用有限元方法,数值模拟研究压电微悬臂梁的灵敏度,并进行参数分析,为设计性能优良的悬臂梁提供理论依据。理论分析微悬臂梁在空气和液体中的共振频率和自身结构参数的定量关系,灵敏度与共振频率变化量、被测物质量的关系,通过数值模拟得到悬臂梁长度、宽度、厚度及共振阶数对微质量检测压电悬臂梁灵敏度的影响。在长期研究OPCM压电传感材料的基础上,进一步提出纵向振动的OPCM材料制作悬臂梁,数值模拟结果表明OPCM比PZT悬臂梁具有更高的灵敏度。数值模拟结果为设计性能优良的悬臂梁提供理论依据。     

多频响应的压电振动能量采集器的性能分析与测试

为了提升压电悬臂梁采集振动能量的能力,研究了一种具有多频振动响应的振动能量采集器。在压电悬臂梁与振动激励源之间增加一个附加梁,压电悬臂梁和附加梁的末端分别安装一个质量块,压电悬臂梁和附加梁垂直连接。附加梁的末端质量被设计为远大于压电梁的末端质量,而压电梁的一阶谐振频率在附加梁的前两阶谐振频率之间。采用该设计,压电悬臂梁的振动响应是多个谐振频带的叠加。通过建立机电解析模型,描述了所提出的振动能量采集器的振动响应和发电特性,同时制作了一个振动能量采集器样机进行试验,结果表明,与传统的悬臂梁振动能量采集器相比,所提出的振动能量采集器可以在更宽的频带范围内采集更多的振动能量。     

压电分流阻尼控制悬臂梁振动的参数优化分析

采用阻抗分析技术,根据压电材料的机电耦合特性和RLC电路的电学阻抗特性,详细推导了RLC串联压电分流阻尼系统的机械阻抗特性,研究了作单模态振动的悬臂梁在粘贴压电片后形成的压电悬臂梁系统的位移传递函数特性。借助于调谐质量阻尼减振理论,进行了压电分流阻尼系统的参数优化分析,并通过算例验证了参数优化前后压电分流阻尼系统对悬臂梁振动的被动控制效果。     

悬臂梁式压电振动能采集器的建模及实验验证

为了根据环境振动和电学负载的特点对悬臂梁式微型压电振动能采集器进行优化,本文考虑质量块质心与悬臂梁末端的位置差异,建立了在基础激励作用下采集器的运动微分方程和边界条件.通过引入常数,建立了对单压电层、双压电层并联和双压电层串联的3个悬臂梁式微型压电振动能采集器均适用的耦合电路方程,得到了采集器固有频率和振型的表达式,推...