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.     

非等长复合压电振子的优化与仿真分析

利用ANSYS软件建立了悬臂梁结构的模型,采用了工程中常用的模型,即非等长复合压电振子模型.设计了一种呈阵列分布的多圆孔基板材料压电振子,通过仿真分析,该结构的压电振子在尺寸与外加载荷一定的情况下,输出电压较优化前提高了14.1%,同时其固有频率与自身质量均较优化前有所降低.最后仿真结果也说明了这种多圆孔压电振子对于提高能量转换效率的可行性和有效性.     

双晶悬臂梁压电发电装置发电能力的仿真

针对双晶片悬臂梁式压电振子的理论模型,分析了压电振子的结构参数对压电发电装置发电能力的影响。运用ANSYS有限元软件建立了压电振子的压电耦合模型,研究了压电振子的配重质量、悬臂梁长度和金属基板厚度等结构参数对压电振子的固有频率以及压电发电装置发电量的影响规律。为了验证有限元模型的正确性,对典型结构参数压电悬臂梁的一阶固有频率和发电电压进行了实验测量。仿真结果表明,增加悬臂梁的配置质量和长度、减小悬臂梁基板的厚度都可以降低结构的固有频率,选择恰当的结构参数匹配可以使发电装置的固有频率接近外界的激振频率,从而实现最佳的发电性能。     

圆形压电振子的理论分析与应用研究

为了研究圆形压电振子的振动与输出性能,对圆形压电振子进行了理论分析与应用研究.首先对圆形压电振子的组成及工作机理进行了阐述;然后对圆形压电振子进行了弹性振动分析,推导出压电振子弹性振动挠度表达式,得到影响压电振子弹性位移的影响因素;最后将圆形压电振子作为气体隔膜泵的驱动力源进行实验测试.结果表明,圆形压电振子用在气体隔膜泵上能实现较好的驱动,系统输出流量高、驱动压力大.验证了用这种圆形压电振子实现微小型系统驱动是可行、有效的.     

悬臂梁双压电晶片振子发电性能研究

以双压电晶片振子为研究对象,对悬臂梁式双压电晶片振子在正压电效应下电压输出特性进行了有限元分析与试验研究,给出了压电晶片在悬臂梁上的最佳粘贴位置,并且利用有限元分析软件建立了悬臂梁双压电晶片振子的有限元模型,进行了结构尺寸参数对悬臂梁双压电晶片振子输出电压影响规律的仿真分析;利用压电陶瓷发电能力测试系统进行了试验测试,通过仿真和试验结果对比分析,得出了结构尺寸参数对悬臂梁双压电晶片振子发电的输出电压影响规律。     

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。     

周期结构压电振子低频宽带特性分析

已知压电振子只有处于共振状态才能保证电能的输出水平,但环境中的振源频率远低于普通压电振子的固有频率。对于两种周期结构悬臂梁,建立其理论模型,分别通过数值仿真软件与有限元软件求解其固有频率。结果表明,折叠梁的固有频率对梁段数的增加更为敏感,在梁段数较高的情况下折叠梁的固有频率较低,低频俘能性能优于螺旋梁,但是其各阶模态固有频率之间的跨度较大且不平均,能够与环境中振源频率匹配的模态阶数较少,其宽频俘能能力不如螺旋梁。     

泵用压电振子动态特性的研究

为了提高压电泵的效率、优化压电泵的结构,对泵用压电振子的动态特性进行了研究。介绍了一种新型压电泵——Y形流管无阀压电泵的结构和工作原理;对Y形流管无阀压电泵压电振子的振动状态进行了理论分析,得到了压电振子的固有频率及最大振幅的理论计算公式,并证明了理论分析结果的正确性;根据理论分析结果,对压电振子几何参数和基底层材料对其振动特性的影响进行了分析讨论。分析结果表明：压电振子的PZT层与基底层的直径比应在0.75左右,厚度比应小于1;基底层材料对频率影响较大,但对最大振幅影响较小。     

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...     

基于ANSYS的圆形压电振子的仿真分析与研究

利用ANSYS软件建立了压电振子的有限元模型,对圆形压电振子的基板和压电陶瓷片的材料参数、结构参数对其变形的影响进行了分析和对比,根据仿真结果,确定了作为泵腔动力元件的圆形压电振子的参数。对选定的圆形压电振子进行了静态特性、阻抗特性和幅频特性的实验测试,研究了不同波形、不同电压、不同频率驱动信号对振子变形的影响。通过对比实验测试结果和有限元仿真结果,验证了有限元模型的可靠性,为优化压电晶片驱动器结构参数提供了有效的方法。     

一种新型压电输送振子实验数值分析

针对现有物料输送装置体积大、噪声大等问题,研制了一种用于高频精密输送装置的新型压电振子,分析了压电振子输送机理,并对输送振子进行了实验测试,结果表明,输送面振幅分布比较均匀;驱动电压与振幅呈线性变化;当驱动电压为120 V,谐振频率为34.773 k Hz时,输送面振幅达到最大,输送性能最佳。     

悬臂梁单晶压电发电机的实验

建立了悬臂梁单晶压电振子的发电测试系统,针对压电晶体与磷青铜基板材料的厚度比对单晶压电振子输出电压的影响进行了有限元分析,得出了压电晶体与磷青铜基板材料的最佳厚度比并进行了实验验证,同时对具有最佳厚度比的单晶压电振子进行了压电发电能力测试.研究结果表明,当压电晶体与磷青铜金属基板的最佳厚度比为0.5时,单晶压电振子的输出电压最大,有限元分析与实验结果基本吻合.单晶压电振子输出电压随着负载的增大而增大,而输出功率并不随负载的增大而增大.压电振子存在一个最佳负载,当负载与压电振子内阻相匹配时,输出功率最大,能量转化效率最高.单晶压电振子在负载为50 kΩ时,输出电压最大可达5.4 V;当负载电阻为10 kΩ时,负载与压电振子内阻匹配良好,输出功率达到最大为1.18 mW,产生的能量能满足网络传感器等低耗能电子产品的供能需求.     

多振子压电发电机的输出特性

为提高多振子压电发电机的输出能力及有效频带宽度,从理论及试验两方面研究了各压电振子直接串/并联及经整流桥串/并联时的输出电压特性.结果表明,压电振子结构及数量相同时,经整流桥串/并联输出的电压及频带宽度均优于直接串/并联输出的电压及频带宽度,且压电振子经整流桥串联输出方式优于并联输出方式,其电压波动也较小.最后,制作了...     

三分频式压电骨传导助听装置的仿真与测试

设计了一种采用3个结构尺寸不同的压电振子进行电信号-音频信号转换的三分频式压电骨传导助听装置,该装置可以适应较宽的工作频率范围。对压电振子进行了模态仿真分析和谐响应仿真分析,得出了压电振子最佳振型和谐振频率,确定了各个压电振子的工作频率段。根据仿真结果设计制作了三分频压电骨传导助听装置试验样机,对样机的幅频特性和响度进行了试验测试。结果显示:助听装置中低频、中频和高频压电振子的最大振动幅值分别为86.08μm、34.24μm和1.545μm,且处于各自振动频率段内;低频、中频和高频压电振子在各自频段内响度最大,各频段的最大响度值依次为69.1dB、98.3dB和117.1dB。由于3个压电振子同时工作时,各频段声音都能得到较好的响应,因此拓宽了声音的响应频域。     

泵用两叠片圆形压电振子的弯曲振动分析

为提高微型压电泵的输出能力,采用瑞利法对固定边界条件下两叠片压电振子进行了理论研究。以压电晶片与金属基板的厚度比α、直径比β(称结构参数)为变量,推导出了压电振子谐振频率及有效机电耦合系数的计算方法。通过编程计算即可获得压电振子的有效机电耦合系数和谐振频率,进而优选压电振子的结构参数。以日本产压电振子为例进行了谐振频率的计算,并与阻抗分析仪的测试的谐振频率进行了比较,二者比较接近。研究结果表明,结构参数的变化对压电振子的谐振频率和机电耦合系数影响较大,当结构参数α、β分别为0.3和0.6时,压电振子的最大有效机电耦合系数为0.52。     

基于压电激振的弹性模量测量方法

为了提高固体材料弹性模量测量精度以及简化测量过程,提出一种新的固体材料弹性模量测量方法。首先,采用压电陶瓷激振与拾振测试试件的一阶共振频率;其次,利用有限元仿真软件ANSYS对试件的振动模态进行仿真;最后,将实测的一阶共振频率与ANSYS仿真结果进行对比,从而推算出试件材料的弹性模量。分别对钛合金、铝合金、不锈钢试件的弹性模量进行了测量与分析,测量结果精确可靠。对钛合金相同批次、相同直径、不同长度的试件进行了测量,测量误差小于0.3%。该方法消除了传统动态共振测量法中数值拟合求一阶共振频率带来的误差,ANSYS模态仿真降低了对试件的形状要求,使测量过程简化,测量精度显著提高。     

考虑粘结层的悬臂压电振子发电性能分析

利用压电振子将环境中的振动能量转换为电能是近年研究的热点,研究发现,叠层压电振子中,粘结层厚度对压电振子的发电性能以及抗剪强度均有较大影响。针对矩形、梯形截面形状悬臂梁叠层压电振子,利用ANSYS有限元分析软件仿真分析了其粘结层厚度不同时对于叠层压电振子发电性能及抗剪强度的影响关系。结果表明:随着粘结层厚度的增加,虽然梯形截面叠层压电振子对低频振动的环境能量转换效率要高,但梯形截面压电振子会比矩形截面更容易发生剪切破坏;综合分析表明当粘结层厚度控制在基底层厚度的(1/4~1/5)左右时,叠层压电振子的发电性能及抗剪强度较为理想。     

压电悬臂梁水平布置式直线送料器设计与实验

设计了一种压电悬臂梁水平布置式直线送料器,相比于传统的压电直线送料器,纵向高度可满足特殊空间要求,同时根据输送距离长短,灵活设定安装位置及所需压电振子的数量;首先对系统结构进行了设计以及工作原理的说明,然后对系统进行了动力学分析,得出系统振动振幅与位移放大倍数的表达式;最后制作了样机对其进行了实验测试,测试结果表明,系统有效工作频率在(115～125)Hz之间,工作在共振频率120Hz条件下性能最好,输送速度可达到144mm/s。在狭小空间内物料输送领域具有广阔应用前景。     

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。     

双作用压电泵绝缘压电振子

提出了对压电泵中的动力元件-压电振子进行特殊绝缘处理的方法,使压电振子在两个方向弯曲变形时都有输出工作能力,形成双面作用的绝缘压电振子.阐述了由一个绝缘压电振子形成两个工作腔体的双作用压电泵结构.根据小挠度弹性弯曲理论导出了绝缘圆形复合压电振子的弹性曲面微分方程,阐述了绝缘处理方案和过程,并对其绝缘特性进行了分析.对绝缘压电振子进行了实验测试,实验结果表明:双作用绝缘压电振子不仅具有绝缘特性,而且具有良好的韧性和强度,其击穿电压比未经绝缘处理的压电振子的击穿电压提高了20～30 V.