铜 压电陶瓷复合型悬臂压电振子发电性能分析

利用压电振子采集环境振动能量为低功耗电子产品供能是近年来研究的热点,而压电振子的振动发电能力与其几何形状有关。该文针对悬臂梁压电振子,利用ANSYS软件仿真分析了其自由端尺寸的改变对压电振子的输出电压及固有频率的影响。结果表明,在相同条件下,存在一定的自由端尺寸使压电振子采集环境中低频振动的能量最大。     

质量块位置对压电悬臂梁发电性能影响分析

利用ANSYS有限元仿真软件,建立压电悬臂梁发电振子的ANSYS模型,并进行了模态分析和谐响应分析。当加速度为0.015 m/s2,质量块在不同位置时,仿真分析了压电悬臂梁发电振子输出的开路电压随频率的变化。由仿真结果可知,当质量块距离夹持端75 mm时,压电悬臂梁发电振子输出的开路电压有效值最大可达19.3 V。搭建试验台,研究了质量块在不同位置时压电悬臂梁发电振子的输出特性。实验结果表明,当质量块距离夹持端77 mm时,在加速度一阶谐振频率下,压电悬臂梁发电振子输出的开路电压有效值最大可达17.8 V。在经全桥整流电路接阻容电路,电阻为1.3 MΩ时,电阻上获得最大瞬时功率为55 μW。研究结果表明,带质量块的压电悬臂梁发电振子振动能量发电梁中的质量块存在一个最佳位置,使装置开路电压和输出功率最大。     

路用叠层弓形压电换能器性能分析

现有压电换能器换能效率与强度均较低,不适用于路面能量的收集。结合换能器的压电特性和路面结构特点,提出了叠层弓形桥式结构。结合ABAQUS有限元分析和MTS室内实验,对叠层弓形桥式换能器的应力、电压进行了分析,获得了换能器在荷载作用下的应力分布规律。结果表明,换能器在荷载作用下可达到150V的电压值,产压效率较好;在1 MPa左右的荷载作用下发生破坏,具有更高的破坏强度。叠层弓形桥式压电换能器更适用于路面能量收集。     

一种基于MEMS的新型镂空压电悬臂梁能量采集器

在经典的矩形悬臂梁结构基础上进行改进,设计了一种新型的基板与压电膜镂空的微悬臂梁能量采集器。在悬臂梁基板与压电膜上添加镂空,分析其结构尺寸(即镂空的长度、宽度、厚度以及数量)与压电振子固有频率和开路输出电压之间的关系,并通过调节其结构尺寸,使压电能量采集器具有更低的振动频率与更高的开路输出电压。实验结果表明,在镂空长度为200 μm,宽度为165 μm,数量为12时,该结构振子的固有频率可达到399.7 Hz,开路输出电压可达0.271 V。     

超声行波马达悬浮振子的研究

为了提高超声行波电机的输出功率,该文提出了一种悬浮式振子结构。该结构利用弹簧隔离振子与固定端,利用质量块为定子提供输出力。该振子由压电堆激励,可以产生较大振幅。压电堆工作在d_(33)模式,与经典行波电机中工作在d_(31)模式的压电片相比,其机电耦合系数更大,同时增加了压电材料的体积,提高了电机的输出功率。通过有限元仿真实验验证了理论的正确性,同时研究了在4个尺寸为1.68 mm×1.68 mm×5.0 mm的锆钛酸铅(PZT)压电堆激励下的最优参数。实验结果表明,在峰-峰值为20 V的激励电压下,定子最大自由振动幅值为3.57μm,约为非悬浮状态下的3倍。样机马达最大空载转速为74 r/min,堵转扭矩为0.037 5 N·m。在不增大体积的条件下使用更多的压电堆激励,其输出功率可以成倍提高。     

圆环形压电振子疲劳仿真分析与实验研究

压电振子作为压电驱动机构的核心部件,其工作状态和疲劳强度直接决定系统的工作性能和使用寿命。该文利用ANSYS软件对圆环形压电振子进行疲劳仿真分析,得到振动模态云图和最大受力点。研究不同结构尺寸参数对压电振子疲劳寿命影响,并进行双晶片与单晶片压电振子相关数据对比。结果表明,金属材料65Mn的抗疲劳性能最好,减小振子直径或增加振子厚度能较好提高其疲劳寿命,而施加电压幅值过高会降低振子的使用寿命,双晶片压电振子的疲劳寿命比单晶片压电振子疲劳寿命长。对圆环形压电振子进行了疲劳寿命实验,研究表明,选取的此批振子完全能达到使用要求。     

压电发电能量转移技术与实验研究

压电材料在受到周期的压力时,其表面产生周期的电压。压电材料与金属片作成压电振子,压电振子产生周期性振动,在其极面上不断激发电荷,把该电能贮存变换后作成压电发电机。研究了压电能量转移的原理,设计了压电能量转移电路,利用填谷电路代替普通电容进行了能量贮存与转换;进行稳压电路设计,设计了实验电路,运用振动台进行了实验,通过对系统所带负载进行了实验比较测试。实验效果表明,利用填谷电路代替普通的电容可提高压电发电机的带负载能力,该能量转移电路无需额外电源。     

变截面悬臂梁压电俘能器动力学特性分析

提出一种变截面悬臂梁压电俘能器结构,通过有限元仿真分析其振动特性和输出电压,有利于提高发电性能。该俘能器结构固定端为等截面梁,自由端为变截面梁,压电层粘贴在悬臂梁根部等截面梁表面,改变悬臂梁自由端与固定端的宽度比,得到多种不同形式的变截面悬臂梁。对比分析了三角形梁、矩形梁和具有不同宽度比梯形梁的固有频率、应力和应变分布及简谐激励输出电压响应。结果表明,三角形梁固有频率较大,输出电压最大,同时分析了不同变截面段长度对输出电压的影响。该文还分析了具有相同一阶频率、不同宽度比俘能器的输出电压,表明三角形结构单位体积压电层输出电压最大。对比分析了基体层上根部粘贴压电片和全部粘贴压电片的输出电压特性。结果表明,前者输出电压较大,发电性能更好。     

基于压电致动的微流体主动控制阀的研究

介绍了一种采用圆盘形压电振子作为致动元件的微流体主动控制阀。通过圆盘形压电振子的变形改变其与圆环面边界间的过流间隙以实现微流体主动控制阀的开启、关闭及其程度,并建立了微流体主动控制阀的流量控制模型。在此基础上,对作用于圆盘形压电振子上的控制电压和进出口压差对微流体主动控制阀流量的控制特性进行了仿真与分析。研究结果表明,通过改变作用于压电振子上的控制电压可实现阀流量的连续控制,通过改变微流体主动控制阀的进出口压差也可在一定程度上控制阀流量。     

无阀压电泵的泵腔容积变化量

通过对简支边界条件、电压驱动下复合压电振子的振动分析，推导了复合压电振子的运动方程，从而导出了复合压电振子变形后所包围的体积即无阀压电泵的泵腔容积变化量的计算公式，分析了泵腔容积变化量与复合压电振子最大变形量之间的变化关系，给出了通过复合压电振子最大变形量来计算无阀压电泵泵腔容积变化量的计算式。     

基于压电换能器的液滴驱动模型研究

基于智能车辆视觉传感器表面除水的需求,该文提出了一种利用压电换能器激励兰姆波以驱动液滴运动的装置,并建立了压电振子和弹性体平板的二维有限元模型。首先运用 COMSOL Multiphysics仿真软件对自由边界条件下的压电振子进行频率分析,得到前4阶特征模态,第2阶模态具有最大的结构相对位移,其特征频率为谐振频率;然后对压电振子所激励的兰姆波在平板中的传播特性进行了分析。结果表明,兰姆波在板中出现明显的频散特性,并通过改变压电振子间隔激励 A₀ 模态占主导的兰姆波,以提高液滴驱动效果。通过实验验证了兰姆波驱动液滴模型的可行性。     

滚磨工艺对压电陶瓷振子性能的影响

介绍行星式滚磨工艺在压电陶瓷频率元件制造过程的应用,对压电陶瓷振子的频率具有调整作用。在给出不同滚磨试验条件下得到不同的滚磨结果。结果分析得出滚磨工艺影响压电陶瓷振子性能的关键因素,确定了滚磨条件。压电陶瓷频率元件产品的主要指标——振子频率控制精度要求越来越高,通过行星式滚磨机的滚磨加工,实现频率精细调整的目的。     

V型双振子螺杆式直线压电作动器研究

提出一种V型双振子螺杆式直线压电作动器,该作动器由定子圆筒、精密螺母、螺杆及2个弹性体振子构成。利用2个弹性体振子弯曲振动产生的对称模态和反对称模态,激励圆筒端面质点作椭圆轨迹运动,通过螺母和螺杆间的摩擦耦合驱动螺杆作轴向直线运动。利用有限元分析,设计制作了试验样机,并对其主要输出性能进行了实验测试。在电压峰-峰值为300V条件下,样机稳定工作频率为9.7kHz,无负载最大转速为57.7r/min,最大输出力为2.3N。     

用于矢量水听器的压电单晶面剪切模式加速度计设计

面剪切振动模式产生于[011]极化方向zxt-45°切型的压电单晶,因具有高压电系数、高机械品质因数、高柔顺系数和低串扰效应等优点,故面剪切模式成为小尺寸、高灵敏度压电传感器的理想选择,在矢量水听器中有着良好的应用前景。该文通过分析面剪切模式振动原理,推导了面剪切模式压电加速度计的电压灵敏度表达式。利用有限元分析软件构建面剪切加速度计模型,研究结构参数对面剪切压电加速度计电压灵敏度和谐振频率的影响规律,优化结构尺寸,最终仿真得到面剪切加速度计开路电压灵敏度为389.72 mV/g,工作频带为20 Hz~3 kHz,横向灵敏度小于3.45%。研究结果表明,与传统的剪切式加速度计相比,所设计的面剪切式加速度计在质量块质量降低50%的同时,电压灵敏度提高了11.6%,这为降低水听器的平均密度、提升水声探测性能提供了新思路。     

锯齿型压电梁的电响应分析

压电振子的工作频带宽度是影响压电振动能量收集器发电效率的关键指标。该文旨在分析一种锯齿型阵列式压电振动能量收集器结构模态频率,为压电振子的动力学设计提供参考。首先,基于弹性梁振动理论,推导了锯齿型压电梁的动力学方程,并分析了影响压电梁模态频率的因素。然后,通过COMSOL建立锯齿形压电梁的有限元模型,分析了其频响特性、功率与负载阻抗匹配特性及加速度依赖性。最后,通过实验研究测试了锯齿型压电梁的电压幅频特性曲线,验证了理论分析与仿真模拟结果的合理性。结果表明,锯齿型阵列式压电振动能量收集器能够有效地拓宽工作频带,进而提高发电效率。     

压电陶瓷薄圆片振子的厚度剪切振动

本文研究了切向极化压电陶瓷薄圆片的厚度剪切振动，即扭转振动。利用压电方程及运动方程，推出了振子的机电等效电路，得出了振子扭转振动的输入电阻抗，并推出了其共振及反共振频率方程。由于振子的扭转振动与其截面形状有关，因此，本文提出了振子的截面扭转系数的概念，并给出了实心及空心圆盘的截面扭转系数。本文理论对于扭转振动换能器设计理论的研究，以及压电陶瓷振子振动模式的系列研究具有一定的指导意义。     

蝴蝶式多层悬臂梁压电发电装置研究

为了提高压电发电装置的发电能力,设计了一种新型的蝴蝶式多层压电悬臂梁。为了研究该装置中每个压电双晶梁的发电性能,建立了在自由端外力作用下压电悬臂梁的输出电压理论模型,以此用来分析压电双晶梁的开路输出电压。制作了多层压电发电装置,并搭建实验平台对装置的发电电压进行实验测试,将实验测试数据与理论计算结果进行比较,两者误差小于10%。将发电装置中的6层压电片串联后研究发现,装置的发电电压基本不变,而发电功率可达单层的6倍,说明该新型蝴蝶式多层压电悬臂梁结构可提高发电能力。     

基于压电陶瓷的等变厚度悬臂梁特性研究

以等、变厚度悬臂梁为研究对象,以单轴向玻璃纤维为基体材料结合压电陶瓷片设计出智能悬臂梁模型。利用数值模拟与实验相结合的方法分析了压电陶瓷片对悬臂梁模态频率、自由端最大位移及应变分布的影响。结果表明,未加电压情况下,增加压电陶瓷铺设数目能有效增大悬臂梁固有频率,减小自由端最大位移,但对应变分布无显著影响;施加电压时,可进一步减小悬臂梁自由端最大位移,亦可减小各监测点应变值。