压电换能器机电特性的有限元分析及实验研究

研究了薄圆片径向振动压电换能器的有限元分析方法.针对某种声对接换能器,建立了有限元模型,并利用ANSYS9.1软件对换能器的机电特性进行了分析.通过对3种不同厚度压电陶瓷薄片的有限元计算,分析了前5阶振动模态及振动频率;用简谐电压信号对换能器进行激励,分析了换能器的谐响应特性.实验测试结果表明,测验结果与ANSYS的计算值基本相符.该法能有效地分析换能器的机电特性,对换能器的设计和分析有很好的参考价值.     

使用Pentacam测量分析系统对近视眼眼前节测量

研究了薄圆片径向振动压电换能器的有限元分析方法.针对某种声对接换能器,建立了有限元模型,并利用ANSYS9.1软件对换能器的机电特性进行了分析.通过对3种不同厚度压电陶瓷薄片的有限元计算,分析了前5阶振动模态及振动频率;用简谐电压信号对换能器进行激励,分析了换能器的谐响应特性.实验测试结果表明,测验结果与ANSYS的计算值基本相符.该法能有效地分析换能器的机电特性,对换能器的设计和分析有很好的参考价值.     

基于钹式压电阵列的新型引信发电装置设计

设计了一种基于钹式压电换能器阵列的新型引信用发电装置,使用等静压压电常效法研究了钹式换能器及其阵列的发电特性,分析了发电装置在弹药发射环境下的电能输出特性.研究结果表明,该发电装置能有效收集发射环境中的冲击能,并将其先转换为振动能再转换为持续的电能,延长了压电换能器的电能输出时间,解决了现有引信压电电源电能输出小,供电时间短等问题.     

基于低频驱动的微压电能量收集器的结构研究

为给传感器节点持续供电,提出之字形压电悬臂梁,与传统直梁结构相比,其等效加大了悬臂梁的长度,降低了固有频率。对之字形悬臂梁结构建立解析模型,对其振动进行了理论分析,通过仿真软件ANSYS对该结构进行了模态分析。仿真结果表明,在微加工工艺的尺寸限制下,8根直臂梁构成的之字形结构悬臂梁,其一阶固有振动频率小于200Hz,符合与环境振动源形成共振的条件,证明了之字形结构的有效性。     

悬臂梁式压电发电机自主控制快速充电电路设计

针对悬臂梁式压电发电机为储能电路充电速度慢的问题,提出了一种自主控制快速充电思想。通过分析悬臂梁式压电发电机以超级电容器为负载时的输出特性,采用MATLAB/Simulink仿真得出超级电容器充电最快的时段,设计出以微功耗单片机ATmega168为控制核心的自主控制快速充电电路。实验证明,该电路充电储能比传统的快3倍以上,实现了微型发电机应用中快速充电和自主控制功能,满足了连续振动中微功耗电子器件、传感器及间歇式大功耗电路的要求。     

基于微尺度压电振动发电机的微电源设计

为弥补传感器网络传统供电存在的不足,该文设计了一种基于微尺度压电发电机的微电源,其可有效拾取周围环境中的振动能量,从而为低功耗的传感器系统提供电能。该电源由具有微尺度效应的微振动发电机与外部高效的无源峰值监测开关电路集成而得,结合Matlab仿真分析可知,其输出电压可达0.24V;无源峰值监测开关电路能保证压电片间电荷的全部输出,与具有经典接口的微电源相比其输出功率提高了3倍。     

自供能压电振动能量回收接口电路优化设计

为了更适用于为无线传感网络供电,设计了一种自供能双同步开关电感电路(Self-powered DSSH电路).在压电换能器中增加了2个压电片:一片为传感器,通过微分器和比较器产生与振动同步的脉冲信号;另一片为供能片,为微分器和比较器供能.由无源峰值检测开关组成的DC-DC变换器能及时地将能量回收为负载供电.实验结果证明,设计的自供能双同步开关电感电路输出功率达到305 μW,相比标准电路提高了3.05倍,且一直保持最佳输出功率.     

弯曲振动压电陶瓷换能器

介绍了一种夹心式弯曲振动压电陶瓷换能器，该换能器由压电陶瓷半圆片、前后金属盖板以及预应力螺栓三部分组成，在结构上类似于夹心式纵向振动换能器。从弯曲振动细棒的运动方程出发，得出了夹心式弯曲振动压电换能器的频率设计方程，在此基础上，进行了弯曲振动换能器设计，结果表明，利用本文得出的公式设计换能器，其共振频串的测试值与设计值基本符合。     

一种基于故障监测的MEMS压电能量收集器

为了实现对轮船发动机故障监测系统的可持续供电,针对轮船发动机振动特性以及故障监测系统应用需求,设计了一种基于d31工作模式的微机电系统(MEMS)压电振动能量收集器。该能量收集器采用了共质量块压电悬臂梁阵列结构,与传统单梁结构相比,其降低了MEMS压电振动能量收集器的机械阻尼。通过ANSYS软件对结构进行了优化设计,得到压电悬臂梁的优化尺寸为2.72mm×3.55mm×0.125mm,硅质量块的优化尺寸为14mm×8.45 mm×0.575 mm。设计了器件的加工工艺流程,并完成了芯片的制作。在加速度2g(g=9.8m/s2),谐振频率606Hz,最优化负载45kΩ下,输出电压为4.32V,输出功率为414.7μW,能够满足故障检测系统的可持续供电需求。     

多向振动俘能器设计及能量收集实验研究

针对线性、单一的振动能量俘能器存在工作频带狭窄、只能采集单向振动等问题,该文提出了一种适应货运列车等多向振动应用场景的新型多向振动俘能装置,以增强对环境中振动能量的俘获。该装置结合压电和电磁俘能器,通过螺旋圆柱弹簧和顶端质量有效捕获多向振动,并通过磁力传递振动能量至压电梁。合理设计了弹簧-质量结构,使其在较低的频率范围内可实现多种振动模态,拓宽了俘能器的谐振频带。为了充分利用压电材料,采用了变宽度压电悬臂梁,使应力均匀分布。压电梁自由端的永磁体随着压电梁的振动而产生变化的磁场,在线圈中产生感应电压。通过有限元分析和实验测试,验证了复合式俘能器可以采集多向振动能量,并测试了在z向振动激励下压电、电磁及复合式俘能器的最大输出功率。在频率9.5 Hz、z向振幅2 mm的正弦波激励下,复合式俘能器输出最大功率为3.276 mW。该系统在理论上可为低功耗传感器提供持续电力,为机械能收集与能量转换领域提供技术支持。     

基于新型电源供电的无线传感网络节点设计

基于新型集成式压电能量收集模块LTC3588-1,结合压电自发电单元特性,进行了面向环境监测的无线传感网路节点的设计.实验结果表明,与改进后的电荷捕获电路相比,系统具有能量收集效率高、传输距离较远等优点,有效地解决了无线传感网络节点能源供电的问题,达到了节能环保的目的.     

面向压电能量收集的传感器自供电电源设计

随着物联网传感器网络的快速发展,微弱能量收集电路因其诸多优越性而备受关注。该文设计了一种基于压电能量收集技术的电路,其通过收集环境中的低频机械振动能量,经压电陶瓷(PZT)换能器产生交流电压,再经四倍压电路放大,并通过LTC3588-1电源管理电路整流变换,最终产生一个可供低功耗传感器工作的可切换的标准电压。实验结果表明,该电路可有效支持低功耗传感器正常工作。     

压电薄膜振动传感器灵敏度与频响标定研究

近年来,压电薄膜振动传感器发展十分迅速,已被广泛应用于结构健康监测、医疗电子、加速度、器件振动等测量。该文针对压电薄膜振动传感器的性能检测,设计了一套以可调频激振台作为核心的压电传感器灵敏度与频响特性标定装置。振动信号由可调频激振台提供,标准压电传感器与自制传感器同步进行振动测试。测试结果表明,该装置可方便地实现对被测传感器灵敏度和频率响应特性的标定。标定系统整体设计简单,操作方便。同时系统体积小,稳定性高,测量误差小,便于对各种类型的压电振动传感器进行检测,具有很强的实用性和广阔的发展空间。基于该系统对自制压电薄膜传感器性能的标定,研究了压电薄膜传感器灵敏度的影响因素。     

基于链路质量的WSN跨层功率控制研究

设计了基于森林监测的传感网功能结构和基于ZigBee/802.15.4标准的森林监测传感网体系结构。根据森林监测的特点,设计了基于CC2520和低功耗的MSP430F5437处理器的节点以及结合ARM处理器和协调器的控制节点,从物理层上实现了能量控制。利用基于ZigBee/802.15.4标准无线传感器网络节点,对无线电传播路径损耗模型以及CC2520的分析,用分段线性逼近的方法得到发送功率与RSSI、LQI及节点间距离的关系。通过进一步优化得到发送功率与片码错误率、节点间距离的关系,建立了一种适合在通信开销小、硬件要求低的场合下使用的基于节点间距离、接收信号强度指示和链路质量指示的跨层功率控制算法。     

Effects analysis of bias and excitation conditions on power output of an environmental vibration energy harvesting device using Fe-Ga slice

With the advent of low power VLSI designs and the mass manufacture of CMOS, the power consumption of wireless sensor nodes has been significantly reduced from mW to μW. This opens up a new and interesting research field, that is, the possibility of converting environmental vibration energy to electrical energy for supplying power to the sensors. In this paper, using magnetostrictive materials slice, that is Fe-Ga alloy, a device for harvesting environmental vibration energy is designed and tested. Compared with piezoelectric materials and Terfenal-D alloy, Fe-Ga alloy offers excellent properties for surviving in tough ambient vibration conditions, including higher energy conversion efficiency, longer life cycles, excellent toughness, reduced depolarization and higher flexibility, etc. The designing of vibration energy harvesting process is based on the coupling characteristics of magnetostrictive inverse effect and Faraday electromagnetic induction. The device consists of a Fe-Ga alloy cantilever beam with a magnetostrictive direction throughout the length. It has magnetostrictive inverse effect during vibration and the internal magnetization state will change. A cantilever beam is surrounded by a pickup coil and voltage is induced due to the magnetic field according to Faraday's law. The energy conversion principle among mechanical, magnetic and electric energy is described through a dynamic equation of motion and in conjunction with an electromagnetic conversion equation. The influence law of bias and excitation conditions on output voltage, power and other characteristics of device are investigated in comprehensive experiments. By knowing these influence laws, it is possible to choose an appropriate number of pick up coil for a definite load resistance, to set an appropriate working frequency range, pre-tightening force and pre-magnetized magnetic field such that a maximum power can be harvested. The results derived here can be used as a design guideline for future studies in optimal design and the modeling of vibration energy harvester and force sensor.     

压电-电磁复合式俘能器的设计与实验研究

针对现有压电、电磁俘能器不能同时输出大电压和大电流,设计了一种压电-电磁复合式俘能器。根据设计的复合式俘能器结构进行了理论建模,推导出了电压、电流、振幅和输出功率的表达式,并利用Ansys和Ansoft仿真软件对复合式俘能器的输出特性进行了仿真分析。最后通过实验对比分析了压电、电磁与压电-电磁复合式俘能器的输出特性,分析得到在0.6 g(g=10m/s2)加速度作用下,压电-电磁复合式俘能器的最优输出功率比电磁、压电俘能器分别提高了118%、38%,同时3dB带宽可增大67%、25%。     

压电惯性式振动加速度虚拟仪器测控系统

基于虚拟仪器技术研发了压电惯性式振动加速度测振系统,分析了压电惯性式振动加速度传感器的力学模型、工作原理及其测量电路,在信号处理中运用了相关滤波原理.试验结果表明,采用高速数据采集卡、压电传感器及LabVIEW2010软硬件平台实现了准确、高效、实时的自动化测振系统.     

一种道路用小型压电发电及储存装置的研究

为了收集并利用汽车通过公路时所产生的振动能量,设计了一种利用压电材料的正压电效应采集环境振动能量,把振动能转换成电能的道路用振动发电装置。为使压电材料和道路振动能巧妙结合从而吸收最大的外部能量,获得高的发电效率,进行了以下研究：分析了压电材料变形量对发电能力的影响,并设计了能找到压电材料产生最大电能的最小变形量的模型。通过实验分析压电片的联接方式对电能输出的影响,得到了以并联为主,串联为辅的混联电路模型。设计并制作了道路用压电发电装置模型,通过模拟实验测得其发电功率为0.061 2 W,电容储电功率为0.026 4 W,发电效率为14.42%,电容储电效率6.21%。     

一种道路用小型压电发电及储存装置的研究

为了收集并利用汽车通过公路时所产生的振动能量,设计了一种利用压电材料的正压电效应采集环境振动能量,把振动能转换成电能的道路用振动发电装置。为使压电材料和道路振动能巧妙结合从而吸收最大的外部能量,获得高的发电效率,进行了以下研究:分析了压电材料变形量对发电能力的影响,并设计了能找到压电材料产生最大电能的最小变形量的模型。通过实验分析压电片的联接方式对电能输出的影响,得到了以并联为主,串联为辅的混联电路模型。设计并制作了道路用压电发电装置模型,通过模拟实验测得其发电功率为0.061 2 W,电容储电功率为0.026 4 W,发电效率为14.42%,电容储电效率6.21%。