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.     

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.     

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.     

悬臂梁式压电双晶片振动能量采集器的模型与实验研究

针对悬臂梁式双压电晶片振动能量采集器的质量效应问题,通过幅值修正方法建立了能量采集器的集总参数修正模型,利用阻抗分析和导纳圆法对模型参数进行了识别,得到了采集器在简谐基础激励作用下的机电耦合输出传递函数表达式;建立了悬臂梁压电振动能量采集器的实验系统,实验与仿真分析了悬臂梁末端质量、负载电阻等对能量采集器输出特性的影响,结果表明理论仿真结果与实验结果具有很好的吻合度,证明本文模型有利于提高压电振动能量采集器输出性能的分析预测精度。     

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.     

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。     

基于滚压的压电叠堆压电转换特性仿真分析

本文提出一种基于滚压的压电俘能器结构,结合Cymbal压电换能器和压电振子叠堆,利用滚珠作为激励源,可以把机构的往复振动转换为对压电振子的单向压迫.使用仿真软件对俘能器结构中滚珠压迫压电单元的力,以及该俘能器结构在并联和串联模式下输出的电压和俘获的电能进行仿真分析,得到该结构的压电转换特性.仿真结果表明,滚珠对压电叠堆的压迫力与压电陶瓷层数并不是单向递减,1-5层时递增,5层以后压迫力逐渐减小.在压电陶瓷的总层数不变的情况下,并联和串联时压电叠堆所俘获的总电能是不变的.两种联接模式下总电能随层数的变化关系为5层以内时随层数的增加而减小,超过5层后逐渐增加.     

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。     

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...     

一种MEMS微结构谐振频率的测试技术

MEMS技术的发展离不开相应的测试技术与装置,建立了一种简单的MEMS微结构动态特性的测试装置,以压电陶瓷为核心的基座激励装置实现对微结构的冲击,以微器件自身的输出作为被测信号.结合MEMS工艺中批量制作的特点,在同一测试装置的同一次测试中安装两种不同尺寸的被测微压电悬臂梁试件,采集两个梁的冲击响应信号及它们的联合输出信号,通过FFT频谱分析,比较三种情况下的频谱分析结果并提取出梁的固有频率,采用对比测试的方法获得压电微悬臂梁的谐振频率.试验结果与理论分析一致,该方法具有测试装置简单、实用性强等特点.