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。     

悬臂梁压电式振动发电机材料性能优化研究

具有高能量密度的微型压电振动发电机可以无限、持续地为无线传感器网络提供能量。为了提高有限体积悬臂梁压电式振动发电机的发电能力,通过力学模型及有限元仿真分析了单晶片型式、双晶片并联型式和双晶片串联型式压电振动发电机的材料参数与输出电压及固有频率之间的关系。结果表明,在低频工作环境下,应优先选择PZT-4、PZT-5A、PZT-5H的压电材料和不锈钢、镍合金的基板材料。     

梯形变截面悬臂梁式微质量传感器设计与分析

针对微小集中质量测量问题,提出并制备了一种梯形变截面悬臂梁式微质量传感器,建立了梯形变截面悬臂梁式微质量传感器的振动分析模型。采用有限元方法求解其振动控制方程,获得了微质量传感器的灵敏度。仿真分析结果表明,相对于等截面矩形悬臂梁式微质量传感器,单层压电和双层压电结构的变截面悬臂梁传感器的灵敏度分别提高了127.00%和263.00%。采用线切割工艺,加工制备了单压电层梯形变截面结构的微质量传感器并对传感器进行了实验测试,在误差允许范围内,仿真结果与实验结果基本一致,验证了采用梯形变截面悬臂梁式结构可以有效的提高传感器的灵敏度。     

采煤机无线监测装置压电换能元件参数匹配分析

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,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:悬臂梁自由端的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.     

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。     

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。     

一种宽频的磁式压电振动能量采集器

基于环境能量采集的压电振动能量采集器为无线传感器和微机电系统的长期供能提供了一种有效解决方案.目前研制的压电式振动能量采集器存在工作频率高,且频带窄的问题.给出了一种通过磁力的引入使其在低频下工作的、宽频的压电振动能量采集器,并搭建了测试系统对器件进行分析测试.在压电悬臂梁上放置永磁铁取代传统的质量块,同时在悬臂梁的上...     

柔性智能结构的振动主动控制仿真和实验研究

基于模态坐标表示的含压电片结构横向振动系统方程,采用独立模态法直接针对系统的高阶模型设计控制律,利用劳斯判据证明由所设计的控制器引起的控制溢出可被有效抑制,极大地降低了由于模型降阶引起的误差。同时,对压电柔性悬臂梁的高阶振动模态进行主动控制仿真模拟和实验研究,结果表明施加主动控制后柔性悬臂梁的模态阻尼显著提高,受控悬臂梁的振动得到了快速抑制。仿真计算和实验结果取得了良好的一致性。研究结果表明,利用压电陶瓷作为驱动元件,采用独立模态控制法实现柔性结构的振动抑制是一种高效的振动主动控制方法,在航天航空等领域中     

压电式变截面悬臂梁低频振动能量收集器的设计与优化

为了降低环境振动压电能量收集器（PVEH）的固有频率（ωn），提高PVEH的输出性能，笔者提出了一种压电式变截面悬臂梁低频振动能量收集器（VCL—PVEH）。基于压电方程建立了不同压电材料分布的VCL—PVEH数值模型，优化了压电材料分布位置。研制了PVCL—PVEH原理样机，搭建样机实验平台。结果表明：当压电材料靠近悬臂梁固支端时，器件输出电压（V）和功率（P）最大；随着压电材料与固支端距离（D）增大，器件ωn降低。在相同压电材料面积下，三角形VCL—PVEH的ωn 最低（ωn = 25.7 Hz）、V最大（V = 100 V）。实验和计算表明，随负载阻抗（R）增大，P先增大后减小，存在最优R为25000 Ω，此时，P为240 mW，可直接点亮21只商用LED，满足低功耗农业物联网传感器供电的要求。     

基于PVDF的膝关节控制肌群运动信息采集传感器研究

针对膝关节运动过程中控制肌群的运动信息的采集问题,文章设计了多种PVDF压电传感器的悬臂悬臂梁结构,利用传感器采集到的压电信息获取控制肌群的运动信息,并通过软件建模仿真和实验对比测试找到了最优悬臂梁结构设计为圆形简支悬臂梁结构,同时测试了传感器的性能;测试结果显示设计的PVDF压电传感器表现优越,可用于实际的信息采集。     

供能于无线传感器网络的微型振动发电机结构性能研究

应用微机电加工技术制造的振动发电机可以无限、持续地为无线传感器网络提供能源。为了提高发电能力,通过有限元仿真与实验分析了单压电片型式、双压电片并联型式和双压电片串联型式振动发电机的结构参数对发电能力的影响规律。结果表明,厚度比小的双压电片串联型式发电机输出开路电压较高;存在某一最优负载,在给定的激励频率下,使得输出功率最大;相同材料、结构参数下,双压电片串联和双压电片并联型式发电机的输出功率基本相同且高于单压电片型式发电机。     

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。     

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。     

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.     

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.

     

VIBRATION CONTROL OF A SMART STRUCTURE USING PERIODIC OUTPUT FEEDBACK TECHNIQUE

Active vibration control is an important problem in structures. One of the ways to tackle this problem is to make the structure smart, adaptive and self‐controlling. The objective of active vibration control is to reduce the vibration of a system by automatic modification of the system's structural response. This work features the modeling and design of a Periodic Output Feedback (POF) control technique for the vibration control of a smart flexible cantilever beam system for a Single Input Single Output case. A POF controller is designed for the beam by bonding patches of piezoelectric layer as sensor/actuator to the master structure at different locations along the length of the beam. The entire structure is modeled in state space form using the Finite Element Method by dividing the structure into 3, 4, 5 elements, thus giving rise to three types of systems, viz., system 1 (beam divided into 3 finite elements), system 2 (4 finite elements), system 3 (5 finite elements). POF controllers are designed for the above three types of systems for different sensor/actuator locations along the length of the beam by retaining the first two vibratory modes. The smart cantilever beam model is developed using the concept of piezoelectric bonding and Euler‐Bernouli theory principles. The effect of placing the sensor/actuator at various locations along the length of the beam for all the three types of systems considered is observed and the conclusions are drawn for the best performance and for the smallest magnitude of the control input required to control the vibrations of the beam. The tip displacements with the controller is obtained. Performance of the system is also observed by retaining the first 3 vibratory modes and the conclusions are drawn.