基于压电效应的声能量收集

对圆盘式压电能量收集器在声场作用下的电能输出效果进行了研究。将处于夹持状态的压电陶瓷片,放置在单频稳态的正弦波形声场中,由于激振作用,压电陶瓷片会产生形变。实验结果表明,在器件处于谐振状态时输出电压和功率会达到最大值。在正弦声场中,当声波频率达到907 Hz的谐振频率时压电陶瓷片的开路输出电压可以达到4.6 V;在110 dB的声场中,当负载电阻达到11.2 kΩ时,输出功率最大可达60.4μW。     

混合激励压电振动能量收集器的机电响应分析EI北大核心CSCD

为提高压电振动能量收集器在多种能量环境下的工作效率,旨在研究一种基础激励和风流体混合激励下压电振动能量收集器的机电响应性能。根据Euler-Bernoulli弹性梁振动理论建立了混合激励下压电悬臂梁的分布参数模型,通过建立机电耦合降阶模型得到了系统的第一阶模态机电控制方程,利用机电解耦方法推导了系统响应的解析解,讨论了负载电阻、风速对系统固有频率及机电阻尼的影响,分析了负载电阻、加速度及风速对系统发电性能的影响,验证了理论模型的正确性。结果表明,与基础激励相比,混合激励不但增大系统的能量收集功率,而且可在更宽的频带区间内收集能量。     

基于压电效应的时均流能量收集研究进展

基于压电技术的时均流能量收集是一种新型的环境能量收集形式,具有结构简单、成本低廉、无污染、无电磁干扰和使用寿命长的特点。按照不同的时均流能量收集原理分类介绍了最新研究进展,对各种装置之间的性能做了比较,其中采用时均流激声发动机驱动压电换能器的方法能够实现更高的能量转化效率。     

用于振动能量收集的MEMS压电悬臂梁

本文介绍了一种MEMS悬臂梁器件,将环境中的振动机械能转化为电能.该悬臂梁的主体材料为单晶硅,其上覆盖一层用Sol-Gel法制备的PZT压电材料,利用压电材料的正压电效应实现机电能量的转换.论文给出了悬臂梁式振动能量收集器的一个简单理论模型.器件采用(110)硅基片,有利于通过湿法腐蚀制备质量块.质量块可以用来降低器件的谐振频率,并提高输出电功率.尺寸参数为3600μm×270 μm的器件样品的测试结果表明,在其谐振频率1673Hz,振幅为11nm的振动条件下,该器件的最大输出功率大于1nW,即0.11 μW/cm2.     

错列斜拉索尾流驰振及其抑振措施研究

以实际工程中的斜拉桥错列斜拉索为工程背景,设计了一套斜拉索风洞试验装置,对非平行的双排斜拉索进行了气弹模型风洞试验,研究了风攻角和风偏角对拉索振动的影响。试验观察到下游拉索发生明显的尾流驰振,尾流驰振的振幅及轨迹受风攻角与风偏角的影响显著。当风攻角为5°、风偏角为10°时下游拉索最容易发生大幅尾流驰振,因此将此组合工况定为最不利工况。针对此最不利工况施加了三种抑振措施,分别为刚性杆连接、弹性杆连接和增加阻尼,试验结果表明加刚性连接杆或弹性连接杆成功抑制尾流驰振,而当阻尼比小于0.68%时,增加阻尼对尾流驰振的抑振效果不明显。     

压电振动能量收集装置研究现状及发展趋势

摘要：随着无线技术及微机电技术的日益发展,以化学电池为主的供能方式的弊端日渐显露,压电振动能量收集装置以其结构简单、清洁环保及易于微型化等诸多优点而得到了极大重视。本文从振动能量收集常用的压电材料及其压电性入手,从压电振动能量收集装置的结构设计和能量收集电路设计两方面对其进行阐述。在结构设计方面,以压电振动能量收集结构的方向性和响应频带为主线,详细介绍了国内外研究者在压电振动能量收集装置结构设计上的变化与创新;在能量收集电路设计方面,以能量收集效率的提高为主线,介绍了电路结构的优化改进。最后,总结了压电振动能量收集装置未来的研究趋势和方向,为从事压电振动能量收集研究的人员提供参考。     

高耸结构驰振分析

结合我国规范，提出高耸结构稳态驰振响应和驰振临界风速分析方法。并根据风洞试验提供的气动参数着重分析了矩形横截面高耸结构的驰振，得到了正方形和长宽比为２∶１的矩形横截面高耸结构稳态驰振响应计算公式，及驰振发生与突变的临界条件。最后，应用本文方法计算了一矩形横截面高耸结构的驰振响应和临界风速，得到了一些对工程设计很有意义的结论。     

考虑摆动效应的覆冰导线两自由度驰振稳定性分析

该文推导了考虑覆冰导线摆动的水平竖向耦合两自由度驰振模型,结合覆冰导线模型高频天平测力试验结果,采用劳斯判据分析了基于导线自振特性的广义两自由度准椭圆形覆冰导线的驰振稳定性。分析结果表明：在进行准椭圆形覆冰导线两自由度驰振稳定性分析时,气动力系数需采用七阶以上多项式描述;导线摆动对稳定性分析影响较大,不考虑导线摆动影响分析得到的不稳定风向角范围偏小,临界风速偏大;提高结构阻尼可以有效的提高驰振临界风速。最后得到了准椭圆形覆冰导线两自由度驰振稳定性分析的一般结论。     

对结构横风向驰振计算改进的建议

本文对横风向驰振的以前的计算方法进行了论述，指出了传统计算方法的值行改进的地方，并提出了已修正建议，为以后的对横风向驰振的继续研究和工程应用做了前期的准备。     

基于能量方法的拉索尾流驰振风洞试验研究

为了研究近距失稳区并列拉索尾流驰振性能,发展了基于能量方法的风洞试验方法。采用强迫振动装置重现了拉索尾流驰振现象,通过能量判断方法分析了下游拉索尾流驰振的运动方向和不稳定区域。从气动力对下游拉索做功的角度,研究了其振动机理,并对比分析了下游拉索不同振幅、来流风速以及频率对尾流驰振性能的影响。试验研究表明,基于能量分析方法所得到的结果与已有结论较为吻合,验证了该方法的可靠性。     

一种带谐振腔的压电风能收集器

为了提高风能收集器的能量转化效率,提出了一种带谐振腔的压电风能收集器。建立了该压电风能收集器的数学模型,该模型考虑了风流体、结构振动以及输出电能之间的关系。基于该模型进行了仿真分析,获得了收集器结构参数、风速对发电能力的影响规律。制作了风能收集器样机,并进行了实验,结果表明,在2~12 m/s的低风速范围内,带有谐振腔的压电风能收集器的输出电能要大于不带谐振腔的收集器。     

Flexible highly-effective energy harvester via crystallographic and computational control of nanointerfacial morphotropic piezoelectric thin film

Controlling the properties of piezoelectric thin films is a key aspect for designing highly effident flexible electromechanical devices.In this stud~ the crystallographic phenomena of PbZr1-xTixO3 (PZT) thin films caused by distinguished interfacial effects are deeply investigated by overlooking views,including not only an experimental demonstration but also ab initio modeling.The polymorphic phase balance and crystallinity,as well as the crystal orientation of PZT thin films at the morphotropic phase boundary (MPB),can be stably modulated using interfacial crystal structures.Here,interactions with MgO stabilize the PZT crystallographic system well and induce the texturing influences,while the PZT film remains quasi-stable on a conventional Al2O3 wafer.On the basis of this fundamental understanding,a high-output flexible energy harvester is developed using the controlled-PZT system,which shows significantly higher performance than the unmodified PZT generator.The voltage,current,and power densities are improved by 556％,503％,and 822％,respectively,in comparison with the previous flexional single-crystalline piezoelectric device.Finally,the improved flexible generator is applied to harvest tiny vibrational energy from a real traffic system,and it is used to operate a commercial electronic unit.These results clearly indicate that atomic-scale designs can produce significant impacts on macroscopic applications.     

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。     

Z型梁结构压电式能量采集性能分析

振动能量采集能够将外部环境中的振动能转化为电能,具有绿色可持续、节能环保、设计灵活等优势,在工业、生物、医学、军事等领域具有广阔的应用前景.为使振动型能量采集器适应更为复杂多变的工作环境,提高其采集功率和工作频带,提出一种多梁结构-Z型梁结构压电式能量采集器.理论分析了该采集器的固有振动特性,并通过有限元分析了结构尺寸...     

间接激励压电发电机的建模仿真与试验研究

为满足旋转机械监测系统的自供电需求、解决现有压电发电机可靠性低及有效带宽窄等问题,提出一种基于移动凸轮间接激励并限幅的旋转式压电发电机(简称间接激励压电发电机).介绍了发电机的结构原理并进行了建模仿真与试验测试,获得了激励磁铁数量比、凸轮升程及升角对激振力形式/幅值、压电振子变形量/输出电压及发电机带宽等的影响规律.结...     

单悬臂梁阵列式压电能量采集器的研究

根据当前物联网以及无线传感网络的需求,以MEMS技术为依托,结合压电效应,提出了一种单悬臂梁阵列式压电式能量采集器。在分析压电能量采集器结构力学特性的基础上,详细介绍了两种不同尺寸微结构的设计、加工和测试。采用ANSYS软件仿真,得出两种微结构的谐振频率分别为3.9和4kHz;利用溶胶-凝胶法制备出15和20层的PZT压电功能薄膜,电镜扫描其厚度分别为1 849,2 667nm,AFM对比表面形貌其粗糙度分别为1.8和2.11nm,后者致密更好,颗粒较小,相变温度相对比较高。     

Time and frequency domain analysis of piezoelectric energy harvesters by monolithic finite element modeling

The successful design of piezoelectric energy harvesting devices relies upon the identification of optimal geometrical and material configurations to maximize the power output for a specific band of excitation frequencies. Extendable predictive models and associated approximate solution methods are essential for analysis of a wide variety of future advanced energy harvesting devices involving more complex geometries and material distributions. Based on a holistic continuum mechanics modeling approach to the multi‐physics energy harvesting problem, this article proposes a monolithic numerical solution scheme using a mixed‐hybrid 3‐dimensional finite element formulation of the coupled governing equations for analysis in time and frequency domain. The weak form of the electromechanical/circuit system uses velocities and potential rate within the piezoelectric structure, free boundary charge on the electrodes, and potential at the level of the generic electric circuit as global degrees of freedom. The approximation of stress and dielectric displacement follows the work by Pian, Sze, and Pan. Results obtained with the proposed model are compared with analytical results for the reduced‐order model of a cantilevered bimorph harvester with tip mass reported in the literature. The flexibility of the method is demonstrated by studying the influence of partial electrode coverage on the generated power output.     

Bimorph piezoelectric vibration energy harvester with flexible 3D meshed-core structure for low frequency vibration

This paper proposes a bimorph piezoelectric vibration energy harvester (PVEH) with a flexible 3D meshed-core elastic layer for improving the output power while lowering the resonance frequency. Owing to the high void ratio of the 3D meshed-core structure, the bending stiffness of the cantilever can be lowered. Thus, the deflection of the harvester and the strain in the piezoelectric layer increase. According to vibration tests, the resonance frequency is 15.8% lower and the output power is 68% higher than in the conventional solid-core PVEH. Compared to the solid-core PVEH, the proposed meshed-core PVEH (10 mm × 20 mm × 280 μm) has 1.3 times larger tip deflection and the maximum output power is 24.6 μW under resonance condition at 18.7 Hz and 0.2G acceleration. Hence it can be used as a power supply for low-power-consumption sensor nodes in wireless sensor networks.     

宽频压电振动能量采集器的力-电输出特性分析

压电振动能量采集器是一种新型的力(加速度)-电耦合转换输出器件,为了提高单自由度悬臂梁压电振动能量采集器的输出功率和工作频带,通过在单自由度悬臂梁压电振动能量采集器模型基础上增加一个弹性放大器的方法,构造形成了具有两自由度的宽频压电振动能量采集器。利用ANSYS有限元软件建立了宽频压电能量采集器的有限元力-电耦合模型,数值分析了模型中各参数(如质量比、阻尼比以及负载电阻等)对系统力特性(速度、加速度等)和电输出特性(电压、电流、输出功率等)的影响。研究结果表明：大的质量比和小的阻尼比能够提高压电悬臂梁能量采集器的输出功率并拓展其工作频带;短路谐振状态下的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电流,而开路谐振状态的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电压,优化后的短路谐振和开路谐振最大输出功率分别达到4386.5 mW/g2和4263.4 mW/g2。频带宽度达到10 Hz,且是SDOF系统的5倍。