悬臂梁压电俘能器的建模研究

为深入研究悬臂梁式压电俘能器的作用机理,从压电方程和内能平衡出发,建立了悬臂梁式压电俘能器单晶片压电振子、双晶片串联压电振子和双晶片并联压电振子的电压输出灵敏度数学模型.在ANSYS中分别建立了三种压电振子的有限元模型,仿真得到三种压电振子的基板厚度与输出电压的关系曲线,仿真结果表明串联双晶片压电振子的输出电压值最高,且数值模拟曲线和有限元仿真曲线基本吻合,验证了建立数学模型的正确性.     

宽频压电振动能量采集器的实验研究

为改善线性单频谐振式压电振动能量采集器的输出性能,研制了双自由度宽频压电振动能量采集器样机模型,搭建了样机实验测试平台,研究了系统刚度比和负载电阻等参数对能量采集器输出性能的影响。通过调节系统刚度比,不仅可以拓宽压电振动能量采集器的工作率带,还提高了压电振动能量采集器的输出电压和输出功率。结果表明:在基础振动加速度为40m/s~2和负载电阻为471kΩ条件下,双自由度宽频压电能量采集器的工作频带是单频系统的7倍,最大输出功率是单频系统的4.5倍。     

压电悬臂梁发电装置的建模与仿真分析

为提高一定尺度压电复合悬臂梁（简称压电梁）的发电能力,建立了单、双晶压电梁发电能力的仿真分析模型,研究了结构尺寸、激励方式及材料性能等对其发电能力的影响规律。研究表明,在基板材料及激励条件相同时,存在不同的最佳厚度比使单／双晶压电梁发电能力最大,双晶梁的最大发电量约为单晶梁的2倍。基板材料不同时,最佳厚度比随（基板与压电材料的）杨氏模量比的增加而减小,铝、钼基板构成的单／双晶压电梁的最佳厚度比分别为（0.7,0.32）和（0.45,0.2）。在相同的厚度比（0.5）及外界激励条件下,杨氏模量比对两种电梁发电能力的影响不同,杨氏模量低于3.3时,双晶梁的发电量均大于单晶梁。     

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。     

压电分流阻尼控制悬臂梁振动的实验研究

采用压电分流阻尼原理,对根部粘贴压电陶瓷片的柔性悬臂梁振动控制进行了实验研究。实验中设计了一个由电容、电阻和运算放大器组成的等效电感电路,解决了压电分流电路设计中的超大电感器问题。根据测试得到的带压电分流电路悬臂梁的闭路和开路自然频率,确定出了压电分流电路的最优参数,对悬臂梁的瞬态振动和单频简谐激励下的稳态振动控制实验表明了压电分流阻尼被动控制结构振动的有效性。     

微型压电振动能量采集器的研究进展

微型压电振动能量采集器具有结构简单、能量密度高、寿命长等优点,使其在无线传感器网络自供电方面具有较广阔的应用前景。着重介绍压电振动能量采集器的关键技术及围绕其关键技术国内外在压电振动能量采集器方面的研究现状和最新进展,以及未来的发展趋势。     

单晶压电悬臂梁等效黏性阻尼建模与实验

为了完善压电悬臂梁非耦合集总参数模型,进而优化设计压电振子,本文根据机械振动理论以及阻尼理论,建立了单晶压电振子等效阻尼系数的理论模型。理论分析并实验验证了基板材料性能,结构尺寸以及截面形状等不同因素对等效机械阻尼及电阻尼的影响规律。最后,制备了3组不同形状尺寸的压电振子样品,并进行了冲击振动试验来验证理论分析结果。研究表明,压电材料层对整体阻尼的影响主要取决于基板与压电材料的弹性模量比;压电材料每个振动周期的电能损耗与悬臂梁长度的三次方成正比,与宽度成反比;而决定振幅放大因子的阻尼比并非随结构尺寸单调变化。实验结果与理论模型的误差为2.5%~14.7%,证明了理论模型的可靠性。分析表明,在可承受极限载荷相同的情况下,静态特性最优的变曲面悬臂梁动态特性并非最佳,得到的结果对于压电振子的优化设计具有现实意义。     

MEMS低频压电振动能量采集器

设计了基于微机电系统（MEMS）的一阶、二阶传动低频压电振动能量采集器,通过压电效应将低频振动能量转化为电能来解决低频（小于200 Hz）振动环境中的能量采集问题。一阶传动能量采集器模型包括一阶传动梁及压电悬臂梁,二阶传动能量采集器模型包括一阶传动梁、二阶传动梁及压电悬臂梁。数学建模及有限元分析显示：采集器工作频率随一阶、二阶传动梁及压电悬臂梁材料的杨氏模量的减小均呈单调递减的趋势;传动梁的设计可有效降低采集器的高阶工作频率、拓宽工作带宽;而二阶传动梁可以在1g加速度条件下,获得10.98 Hz和44.52 Hz两个超低频率的电压峰值（分别为3.18 V/g和1.33 V/g）,使系统工作频率降得更低,50 Hz以下的有效工作带宽更宽,更适合与低频振动环境匹配进行能量采集。     

压电阵列径向分布的二维振动能量采集器

为了有效采集多个方向的振动能量,本文提出了一种圆柱形的压电阵列径向分布的二维(2D)振动能量采集器。通过将柔性弧形压电阵列径向分布在圆柱体上,该采集器可以收集到二维(2D)平面内任意方向的振动能量。同时,引入了角度带宽来描述采集器获取二维振动能量的能力。实验结果表明:这种新型结构采集器的角度带宽接近180°;而且,通过把对称位置的聚偏二氟乙烯(PVDF)压电元件进行反向串联,采集器的最大输出电压可以达到11.6V;当把对称位置的聚偏二氟乙烯(PVDF)压电元件反向并联时,最大输出功率达到13.5μW。与传统的悬臂式压电振动能量采集器相比,该二维(2D)采集器具有更好的多方向振动能量采集性能。     

悬臂梁式压电振动换能器的稳健设计

悬臂梁式压电振动换能器是一种新型的供电装置,从田口稳健设计的经验方法出发,结合悬臂梁式压电振动换能器的理论模型,以换能器的4个结构参数为优化参数,设计了以输出平均功率和工作频带宽度为优化目标的稳健优化设计方案.以Matlab/Simulink仿真模型作为稳健设计中设计参数与设计目标的纽带,并通过M文件编程,实现稳健设计的自动化.采用内外正交表交叉计算,优化目标的信噪比,通过对优化目标信噪比的方差分析,得到一组最优设计参数.将该组数据对应的换能器与单目标最大的典型参数对应的换能器性能进行对比,表明该组参数下,换能器有较好的工作特性.     

蒲公英状压电振动能量收集装置宽频带设计

研究了蒲公英状压电振动能量收集装置的宽频带设计,以解决环境振源振动频率多变的问题。建立了蒲公英状压电振动能量收集装置谐振频率的理论模型并进行了数值模拟,结果表明,该能量收集装置的谐振频率并不是可以任意拓展的。为验证理论分析的正确性,进行了蒲公英状压电振动能量收集装置的频率响应实验,得到的实验结果与理论分析基本吻合,说明了本文理论分析的可靠性。最后对宽频带的蒲公英状压电振动能量收集装置进行了发电性能测试实验,结果表明,通过对蒲公英状压电振动能量收集装置的宽频带设计,其在20～34Hz有较大的功率输出,且最大输出功率达到了约2.3mW。本文的设计有效地拓宽了该装置的谐振频率范围,易于实现与环境振源的匹配而获得较高的能量收集能力。     

圆弧螺旋型压电振动能量收集系统的设计

为了实现低频、多方向能量收集和高输出性能,提出了一种圆弧螺旋结构的压电能量收集系统。该圆弧螺旋压电能量收集系统不仅可以降低谐振频率,减少系统体积,而且圆弧型悬臂梁具有不对称性,因此可以进行多方向收集。理论分析不同弧度下能量收集系统的应力分布、谐振频率以及输出性能。加工制备了2π、3π和4π圆弧螺旋压电振动能量收集系统并进行了性能测试对比。研究结果表明,4π圆弧螺旋压电能量收集系统具有更好的输出性能,谐振频率为47 Hz,输出电压达到23 V,输出功率达到353μW。该圆弧螺旋压电振动能量收集系统可应用于人体健康检测、环境控制系统、嵌入式系统、军事安全等应用领域。     

非线性宽频压电振动能量采集器的研究

为改善双稳态压电振动能量采集器在基础低幅值激励条件下的输出性能,提出了一种带有线性放大器的非线性宽频压电振动能量采集器,通过线性放大器对基础低幅值激励进行一级放大后,激发双稳态压电振动能量采集器进入高能轨道的大幅值周期振动,从而提高能量采集器的输出性能。根据力学和电学平衡方法建立了非线性宽频压电振动能量采集器的两自由度集总参数模型和运动微分方程,并对系统模型进行时域和频域求解,仿真分析了系统质量比、刚度比等参数对系统输出特性(振动位移、速度、相图和输出电压等)的影响。最后,通过与双稳态压电振动能量采集器输出性能的实验结果对比分析,表明非线性宽频压电振动能量采集器在较小的激励幅值作用下具有更高的输出特性和更宽的工作频带。     

Design and experimental study of a multi-modal piezoelectric energy harvester

A multi-modal piezoelectric vibration energy harvester is designed in this article. It consists of a cantilevered base beam and some upper and lower layer beams with rigid masses bonded between the beams as spacers. For a four-layer harvester subjected to random base excitations, relocating the mass positions leads to the generation of up to four close resonance frequencies over the frequency range from 10 Hz to 100 Hz with relative large power output. The harvesters are connected with a resistance decade box and the frequency response functions of the voltage and power on resistive loads are determined. The experimental results are validated with the simulation results using the finite element method. On a certain level of power output, the experimental results show that the multi-modal harvesters can generate a frequency band that is more than two times greater than the frequency band produced by a cantilevered beam harvester.     

非线性压电式能量采集器

由于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,本文基于非线性振动研究了一种压电式能量采集器。基于Duffing模型测试得到了非线性压电能量采集器的振动方程,对其振动特性进行了仿真测试。在不同永磁体间距的条件下,测试了非线性压电式能量采集器的开路输出电压,结果表明,当激振台加速度为20m/s2时,该非线性压电式能量采集器的最大输出电压从线性系统输出时的131V提高到208V,最大输出功率为43.264mW,主共振频率变化范围达到18Hz。该Duffing模型的结构可以在小范围内改变非线性压电式能量采集器的共振频率,同时提高其输出电压。     

Self-powered piezoelectric energy harvester for bicycle

Various electronic accessories, such as on-board computers, communication devices, and wireless sensor nodes, have been installed on bicycles for several years. A powering scheme from ambient energy could avoid the use of batteries and improve the availability of these devices even when the bicycle is unused for a long time. This paper reports on vibration resources detected in a bicycle as a potential energy source for supplying these on-board devices. Measurements showed that the bandwidth of energy vibration is reduced with speed and that the vibrations at any location in the bicycle are nevertheless sufficient for useful vibration harvesting. For this application, a piezoelectric vibration harvester was designed and equipped with a voltage switching interface circuit. Sufficient energy is harvested during the field test.     

气体耦合式宽带/低频压电振动俘能器

为实现低频/宽频带/高强度振动能量回收及基于能量回收的主动振动控制,提出了一种气体耦合式振动俘能器。介绍了俘能器的系统构成原理,对其能量回收特性进行了理论与试验研究。理论分析结果表明,俘能器的发电能力及特性是由环境振动强度、气缸/压电振子的结构与性能参数、系统质量/背压等多种要素共同决定的;其它条件确定时,存在使电压最大的最佳频率以及使俘能器工作与否的最低临界频率;增加背压/质量可不同程度地提高俘能器的输出电压和有效带宽、降低临界频率,但对最佳频率无明显影响。采用Ф60×0.9mm3双晶压电振子及Ф16×100mm3气缸制作了样机,测试了不同背压及质量时俘能器的电压-频率特性。结果表明,俘能器最佳/临界频率、最大输出电压及有效带宽等与背压/质量关系均与理论分析结果相吻合。不同条件下所测得的最佳频率均为55Hz左右;背压0.4 MPa、质量10kg时所获得临界频率/最大输出电压/对应25V输出电压有效带宽为9Hz/88V/72Hz,分别为质量2.5kg时的0.36倍、2倍和2.2倍。     

Modeling and performance analysis of a novel M-shaped piezoelectric energy harvester employing magnets

Journal of Mechanical Science and Technology - Piezoelectric energy harvesters convert the vibration energy of a mechanical system into the electrical energy. Among them, cantilever type is the...