基于压电自供电的采煤机状态无线监测装置

考虑到压电自供电装置中压电振子的几何参数直接影响其共振频率,从而影响压电自供电装置的发电量,因此需要根据环境激励频率设定最佳的压电振子的几何参数,本文对基于压电自供电的采煤机状态无线监测装置进行研究,通过理论分析、仿真以及实验方法对对不同悬臂梁结构在不同外界激励作用下的发电量进行研究。研究结果表明：悬臂梁自由端质量块质量以及悬臂梁长度越大,悬臂梁压电结构的固有频率越低;随着悬臂梁厚度的增加,悬臂梁压电结构的固有频率逐渐增大。以此为依据对采煤机不同监测位置的装置选取最佳匹配的压电结构几何参数,并通过采煤机工作状态监测实验验证了本文研究的压电自供电无线监测装置的可行性。     

激励频率自适应的采煤机状态压电俘能监测装置研究

考虑到目前用于采煤机状态监测的压电俘能装置不能实时根据外界激励频率变化而改变固有频率,研究一种自适应外界激励频率的采煤机状态压电俘能监测装置.对该频率可调的压电俘能装置进行数学模型建立、固有频率的有限元仿真以及实验研究.研究结果表明:随着压电俘能装置悬臂梁重心的变化,压电俘能装置发电量最大值对应的激励频率不断变化.自适应外界激励频率的压电俘能装置可将频率变化范围控制在7 Hz到55 Hz之间.自适应外界激励频率的压电俘能装置可使安装于采煤机各处的压电俘能装置输出功率在300 mW左右.自适应外界激励频率的压电俘能装置能够对采煤机工作时不同位置的激励频率进行自适应调节,保持对监测装置稳定供电.     

新型双方向压电俘能装置设计与实验研究

研究了一种新型的双方向压电俘能器,简化拾振器结构,利于压电俘能装置的产品化.采用矩形压电晶片和悬臂梁结构对双方向压电俘能器结构进行设计;研究了附加质量对压电俘能器发电性能的影响.通过实验方法测试了新型的双方向压电俘能器在不同环境激励下的发电性能,结果表明:压电振子的固有频率与自由端附加质量成反比,在进行主副压电振子附加质量选取时,根据外界环境激励的频率范围,选取最容易激发压电振子共振的附加质量,使得主压电振子与副压电振子分别与激励频率产生共振,实现产生电能最大化.     

基于无线传感器网络的压电能量收集技术

随着物联网的发展,多节点的传感器供电成为关键问题,由于环境中普遍存在低频振动,采用了压电悬臂梁结构,建立压电悬臂梁结构的电学模型,并进行了ANSYS的仿真,仿真得到电压76 V,约等于模型的理论值,验证了模型的正确性。进而继续研究了压电悬臂梁几何尺寸对固有频率的影响,振子越长,质量块越长,频率越低。从而收集低频振动环境中的能量,为传感器供电装置提供了设计的理论依据。     

复合式压电振动能量收集器的研究

为解决无线传感器网络和便携式电子产品的自供能问题,研究了基于电磁耦合的压电悬臂梁式振动能量收集器.理论分析表明,通过增加压电悬臂梁的所受外力,可以按平方关系提高其产生的发电量.即采用PZT4压电元件及铍青铜作为金属基板,以固定于基板末端的永磁铁作为质量块制作了基于电磁耦合的悬臂梁式压电振动能量收集器.实验表明,压电悬臂梁附加永磁铁后其最大输出电压增加了222％,压电悬臂梁在磁场强度分别为0T与1T的作用力下,电压值的增幅分别为0.38％和2.12％.     

不同阶外激励下压电纤维复合材料悬臂板的内共振特性分析

本文研究了不同阶横向激励作用下压电纤维复合材料(MFC)悬臂板的非线性动力学特性.基于Reddy一阶剪切板理论,引入von Kármán几何非线性理论,利用Hamilton原理建立了结构的非线性动力学控制方程.讨论在不同结构尺寸下的前三阶固有频率,利用Galerkin方法将系统离散为三自由度的非线性常微分方程.考虑主参数共振-1:3:5内共振,分析不同阶外激励作用下压电纤维复合悬臂板的非线性振动响应.数值模拟结果表明,复合材料板几何尺寸增大时结构的固有频率降低.此外,不同阶的横向激励幅值对结构的非线性振动影响很大,为实际工程应用提供理论支持.     

无线传感器网络的压电能量收集技术研究

针对压电能量收集装置在进行能量收集时具有固有频率高、能量收集效率低等问题,设计了一种变截面压电能量收集装置,并对压电振子进行了理论建模和有限元特性分析。根据分析结果,在相同的条件下,变截面悬臂梁的固有频率比等截面悬臂梁低。同时,变截面悬臂梁在截面厚度等于0. 4 mm时,电压输出最大,可达23. 77 V;变截面悬臂梁比等截面悬臂梁具有频带宽、输出电压高,并具有比等截面悬臂梁质量轻的优点。从而对环境中低频振动的能量进行收集时,为传感器的供电装置提供了理论的设计依据。     

压电发电悬臂梁的非线性动力学建模及响应分析

以单晶悬臂梁压电发电装置为研究对象,在考虑压电材料非线性的情况下,利用广义Hamilton原理、Rayleigh-Ritz法、Euler-Bernoulli梁理论及压电元件恒定电场假设建立了悬臂梁压电发电装置的分布式机电耦合模型,通过数值计算分析谐振频率附近解的特性与系统参数及初始条件的关系,揭示了压电材料非线性、外激励参数对系统响应的影响规律,并通过实验验证了解析解的正确性.结果表明,压电材料的非线性特性会导致近似解的共振峰向左偏移,呈现软特性的非线性特征;当激励频率变化时,系统响应存在多解、跳跃等现象,主共振解的真正实现与初始条件的选取有关.     

MFC柔性压电材料俘能特性实验及其往复弯曲摆动参数优化

弯曲摆动作用下的柔性压电材料的俘能特性进行了实验研究,利用所设计搭建的"柔性压电材料往复弯曲摆动实验系统"对基于MFC柔性压电材料所制作的悬臂梁柔性压电振子在弯曲摆动作用下的俘能特性展开了实验研究,分别研究了其在不同的弯曲摆角、弯曲摆速、基板厚度、压电材料表面积、负载电阻等影响因素下的俘能特性规律.研究结果表明:处于恒定的弯曲摆角状态下时,逐渐提高柔性压电材料横截面的过程中,悬臂梁柔性压电振子将会输出更大幅值的开路电压.随着负载电阻的增大,形成了更大的开路电压幅值并最终接近稳定状态.调整弯曲摆速后,并没有引起开路电压幅值的明显改变,总体保持相对稳定趋势.经过试验确定较优的参数:设定弯曲摆动角为15,弯曲摆速为20 r/min,压电材料横截面为800 mm2的条件下,外接负载电阻100 kΩ,可以输出2760 mV的开路电压幅值.     

压电智能结构的主动控制及压电执行器布局优化

本文对压电梁、板结构振动主动控制进行了研究,分别建立了压电悬臂梁的耦合动力学方程以及Kirchhoff假设下矩形压电薄板的耦合动力学方程,通过采用独立模态空间控制法,实现了对压电智能结构前两阶模态的主动振动控制.为提高主动控制的抑振效果,通过仿真实例分析了压电执行器在梁上的不同布局对于主动控制抑振效果的影响,得到了压电执行器粘附于悬臂梁上的最佳布局.最后实验验证了压电悬臂梁在自由振动以及模态共振下压电执行器对于悬臂梁响应控制的可行性和有效性.     

微型之字形压电式能量收集器输出电压的建模和仿真

为了有效解决无线传感器网络节点的供电难题,提出之字形结构的微型压电式能量收集器。相比于传统的直悬臂梁,此结构等效加大了压电梁的长度,降低了系统的固有振动频率。建立了之字形压电梁的本构方程和受迫振动方程,推导得到其输出电压的频域表达式。基于之字形压电梁的结构,利用ANSYS软件对其进行了谐响应分析。仿真结果表明,压电梁的输出电压在各阶固有振动频率处存在极值,符合理论分析的结果;输出电压大小随压电梁长度增加而降低,随压电梁宽度增加而升高,但均为非线性关系;压电梁末端质量块的长度和厚度、基体层厚度减小时,会导致输出电压的增大。在论文中所提出的结构尺寸下,10根直梁构成的之字形结构压电梁,在其一阶固有振动频率处,输出电压可达10 V以上,符合无线传感器网络节点的实际供电需求,证明了之字形压电梁结构的有效性。     

双晶悬臂梁式压电换能器建模与结构参数分析

针对如何提高悬臂梁压电发电效率的问题,通过对压电换能器进行力学分析并建立了一个电路等效模型,从而得到了悬臂梁谐振角振频率和输出功率的计算公式。通过代入数值进行计算仿真得出结构参数对输出功率的影响的曲线。通过分析得出:在设计悬臂梁的结构参数时尽量在结构强度允许的条件下选择更重的附加质量块,电极长度和梁的长度比值为0.8,压电陶瓷和金属层厚度比为0.25,能提高换能效率等结论。     

双晶片悬臂梁式压电传感器的有限元仿真研究

压电传感器作为一种便捷、高效的传感器类型,越来越受到人们的青睐.为研究压电传感器机电耦合能力,将压电高聚物聚偏氟乙烯(PVDF)黏结而成的压电双晶片悬臂梁作为研究对象,利用有限元分析软件ANSYS Workbench,首先完成对模型的构建和模态分析,得出模型的固有频率和固有振型,再建立压电材料的压电本构方程,对压电双晶片悬臂梁模型发电量进行模拟仿真,最后将仿真结果与前人研究结果相对比.分析得出:在10 mm的形变量下,能够产生最大320 V左右的瞬时电压,这与前人的研究结果相近,验证了仿真结果的准确性,同时也证实了压电双晶片悬臂梁作为压电传感器的可行性.     

Evaluation of low-acceleration MEMS piezoelectric energy harvesting devices

Microelectromechanical systems-based piezoelectric energy harvesting device research is continuing to increase due to high demands in powering wireless sensor networks. This paper compares three different cantilever structures that have been the most widely used designs in MEMS energy harvesting devices. The cantilever structures consist of a wide beam, narrow beam, and trapezoidal beam structure. Aluminium nitride was used as the piezoelectric material because of its CMOS compatibility. Finite element modelling was used to investigate the theoretical outputs of the devices prior to fabrication. The three different structures were fabricated using standard micro-fabrication techniques on SOI wafers in order to verify the results experimentally. The finite element modelling results agree with the experimental results. The AlN deposited on the experimental wafers had a (002) FWHM rocking curve value of 1.7°. The power density based on the volume of space needed to fabricate the structures was 2.5, 0.78, and 0.65 mW/cm³/g² at resonant frequency for the wide, trapezoidal, and narrow beam structures respectively. The bandwidth of the devices is also an important parameter when selecting the cantilever structure. An array of the cantilevers over a 4 cm² area resulted in a bandwidth of was 4.8, 9, and 26.4 Hz for the wide, trapezoidal, and narrow beam structures respectively.     

MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源的设计

在单一效应的MEMS振动驱动微能源的基础上,提出了一种MEMS压电-磁电复合振动驱动微能源器件。该微能源由八悬臂梁-中心质量块结构和永磁铁两部分组成,环境振动使中心质量块振动,PZT压电敏感单元由于压电效应产生电势差;同时中心质量块上集成的高密度线圈切割磁感线产生感应电动势,将压电转换与磁电转换相结合把振动能转换为电能。建立了该结构的数学模型并用有限分析软件Ansys12.0对该器件进行力学特性分析,最后对加工出的微能源进行性能测试。测试结果表明,该微能源谐振频率为8 Hz,易与环境发生共振;在共振条件下,施加1 gn 的加速度,器件压电发电开路输出电压峰峰值达154 mV,磁电发电开路输出电压峰-峰值达8 mV,有望为无线传感网络节点提供稳定的能源。     

压电式双振子微型发电机功率调节电路设计

为克服压电式单振子微型发电机通过一般整流、滤波和储能控制电路不能连续为瞬时发射功率较大的无线传感器网络发射模块供电的问题,提出了一种双振子振动发电的结构思想,介绍了双振子振动发电原理;提出了一种双振子微型发电机输出功率调节控制电路技术方案,它由主一辅整流电路、主储能器、滤波器、辅助补充能量控制电路、稳压电路、滞回比较器、开关控制电路和电子开关等组成.经实验证明:封装了该功率调节电路的压电式双振子微型发电机平均输出功率为250～950 μw,瞬时输出功率可以达到680 mw,而自身的功耗只有40微瓦以下,能满足连续振动环境中微功耗电子器件、传感器或间歇式较大功耗遥测电路供电的要求.     

An innovative piezoelectric energy harvester using clamped–clamped beam with proof mass for WSN applications

In this paper a miniature piezoelectric energy harvester (PEH) with clamped–clamped beam and mass loading at the center is introduced which has more consistency against off-axis accelerations and more efficiency in comparison to other cantilever PEH’s. The beams consist of different layers of Si, piezoelectric, and insulators based on MEMS technology that vibrates by applying an external force to the fixed frame. Due to beam vibration, variable stress is applied to the AlN piezoelectric and a potential difference is created at the output terminals. AlN is deposited on clamped–clamped beams in such a way that produce more stress points which cause more power to be generated in comparison to other cantilever beam PEH’s with about same dimensions. A partial differential equations (PDE) describing the flexural wave propagating in the multi-morph clamped–clamped beam are solved as theoretical calculations for inherent frequency estimation and is confirmed by simulation results. The obtained inherent frequency is 42 Hz which with 1 g (g = 9.81 m/s²) acceleration produces 4 V and 80 µW maximum electrical peak power that can be used in the node of low-power consumption wireless sensor node for wireless sensor network (WSN) applications.