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...     

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。     

基于八悬臂梁-中心质量块结构MEMS压电振动能量采集器

高能量密度输出、低频范围响应、环境适应性强的自供电振动能量采集器已成为微能源技术领域的一个重要发展方向。提出一种d31型工作模式下MEMS压电式振动能量采集器,设计八悬臂梁-中心质量块结构代替传统的单悬臂梁结构,利用溶胶-凝胶（Sol-Gel）技术在每个悬臂梁上异质集成制备锆钛酸铅（Pb（Zr0.53Ti0.47）O3,PZT）压电功能厚膜层,通过MEMS工艺和引线键合技术完成器件础结构制造。输出性能测试结果表明,器件一阶谐振频率为41 Hz,3 gn加速度激励下输出电压峰峰值为264.00 mV;在器件两端加载3.00 MΩ负载时输出功率最大,为0.72 nW。     

三稳态压电振动能量采集器的非对称势能阱产生机理及其动力学特性研究

为了揭示三稳态压电振动能量采集器非对称势能阱的产生机理及其对采集器动力学特性的影响机制,考虑采集器压电悬臂梁大扰度几何非线性和末端磁铁重力效应,利用能量法和Hamilton原理建立了三稳态压电振动能量采集器的非线性动力学模型.仿真研究了几何非线性和磁铁重力对系统静态解分岔、势能阱特性及其动力学响应特性的影响规律,结果表明几何非线性和磁铁重力使压电振动能量采集器产生附加的三阶和五阶非线性刚度及重力势能,导致非对称势能阱的产生.非对称势能阱不仅有利于提高三稳态压电振动能量采集器的有效工作频带和能量转换效率,还可以降低采集器对环境振动强度的要求使其在较低激励加速度下可以进入高能轨道运动.实验验证了理论仿真结果的正确性.     

基于卡门涡街的水下振动能量采集器的设计与研究

针对传统的单自由度压电能量采集器工作带宽窄的现状,提出了在水下流激振动环境下的一种基于卡门涡街的二自由度宽频压电能量采集器来提高压电能量采集器的带宽,3 种二自由度压电能量采集器分别被设计、制造,并且测试了能量采集性能。结果表明,采用二自由度能量采集器比采用传统的单自由度能量采集器具有更好的采集效率,根据仿真和实验结果,H型压电能量采集器具有更好的振动能量采集效率。     

非线性压电振动能量采集器的振动特性与实验研究

为了提高线性压电振动能量采集器的输出特性,在线性压电振动能量采集器悬臂梁末端引入Duffing非线性磁力,构造了一种双稳态非线性压电振动能量采集器;综合考虑能量采集器的动态振型与轴向应变分布情况,建立了系统非线性机电耦合集总参数运动控制模型,并利用4阶、5阶Runge-Kutta算法对能量采集器的非线性振动特性进行了数值模拟;利用谐波平衡法计算获得了能量采集器的幅频响应方程,数值分析了激励频率、激励幅值以及磁铁间距等对系统非线性振动特性的影响,发现双稳态运动可以极大地提高能量采集器的频率响应范围和能量采集效率,并且能量采集器在低频、低幅值激励情况下可以产生大幅值周期运动;最后,通过实验对数值计算结果进行了验证.     

基于MEMS的压电微能量采集器的电路研究与测试

微能量采集技术是利用某种效应把周围环境中的某种形式的能量转换成电能,为嵌入式系统和无线传感网络中的MEMS器件供能。本文探讨了一种基于MEMS技术的压电型微能量采集器。微能量采集器工作于低频环境,当给其振动激励信号时,它能够把机械能转换为电能。但是能量采集器直接输出的是交流电压,一般不能直接为器件供能。所以,利用AC-DC电路把交流转换为直流,实现为MEMS器件供能。文中给出了微能量采集器的测试电路,同时给出了测试结果,论证了在低频环境下这种微能量采集器的可行性。     

折叠梁式振动能量采集器的设计

单自由度压电能量采集器因其结构特点,其有效工作频带范围较窄,难以在实际的无线传感器网络节点和可穿戴设备等领域应用。本文提出一种基于折叠梁结构的压电振动能量采集器,以提高采集器的工作带宽。首先,对折叠梁式振动能量采集器进行理论建模及有限元分析。其次,分析不同质量块的质量对所提出的能量采集器的影响。最后,对所提出的能量采集器进行实验研究。实验结果表明,在频域为0~ 100Hz,加速度为0.3g的条件下,“L”型振动能量采集器的工作带宽为1Hz,“Z”型振动能量采集器的工作带宽为3Hz,扩增为“L”型带宽的300%。其次,“Z”型振动能量采集器在0.2gn,0.25gn,0.30gn激励下的最佳匹配负载电阻分别为0.21ＭΩ,0.27ＭΩ 以及0.21ＭΩ,最大输出功率为509.122mW,921.926mW以及1331.230mW,初步验证了折叠梁式能量采集器的性能。本文所提出的折叠梁式能量采集器可以兼顾降低谐振频8.率和增加低频段的谐振阶数的需求,有效提高了能量采集效率,为待供能设备提供充足的电能。     

双梁磁力压电振动能量采集器的实验和仿真

基于非线性技术改善能量采集器的能量采集效果作用,本文研究了非线性磁力耦合的双悬臂梁压电振动能量采集器,该采集器由两条不同的固有频率悬臂梁与永磁体组成.本文给出双梁磁力耦合压电能量采集器模型并建立了动力学方程式,通过实验测试获取相关参数与拟合磁力公式,数值仿真分析了双梁固有频率比1∶1.2与1∶1.5和永磁体初始间距40mm与30mm的4种结构能量采集器的电压输出性能与频率特征.根据数值分析设计实验:外激励加速度3m/s2作用下,双梁磁力结构能量采集器比单梁线性结构多一个电压共振峰;双梁固有频率比为1∶1.5比双梁固有频率比1∶1.2的电压响应带宽宽;初始磁距30mm共振峰值分别为(12Hz,39.4V)与(18Hz,13.4V)比初始磁距40mm两电压共振峰高且电压共振峰峰之间的电压输出比其他组合结构高.     

压电振动能量采集器的力电耦合模型及其功率优化*

为提高传统压电振动能量采集器集总参数模型的性能预测精度,考虑悬臂梁的振型信息与轴向应变分布情况,提出了一种改进的力电耦合模型,该模型引入无因次幅值修正因子,通过曲线拟合方法确定了修正因子与振型函数和振动幅值之间的关系表达式;利用Rayleigh-Ritz模态分析法确定了力电耦合模型中的集总等效参数(如质量、刚度等),并根据弹性动力学原理建立了能量采集器的运动控制方程,得到了稳态时能量采集器的力、电输出响应表达式;最后,利用改进的模型对能量采集器的负载电阻和输出功率进行了优化,得到了负载短路和负载开路时能量采集器的最优输出特性。仿真结果与实例对比验证了提出模型的正确性,表明改进的力电耦合模型具有较高的预测精度。     

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。     

Radioisotope Thin-Film Fueled Microfabricated Reciprocating Electromechanical Power Generator

A radioisotope power generator with a potential lifetime of decades is demonstrated by employing a 100.3-year half-lifetime $^{63}hbox{Ni}$ radioisotope thin-film source to electrostatically actuate and cause reciprocation in a microfabricated piezoelectric unimorph cantilever. The radioisotope direct-charged electrostatic actuation of the piezoelectric unimorph cantilever results in the conversion of radiation energy into mechanical energy stored in the strained unimorph cantilever. The gradual accumulation of the actuation charges leads to the pull-in of the unimorph cantilever into the radioisotope thin-film, and the resulting discharge leads to vibrations in the unimorph cantilever. During the vibrations, the stored mechanical energy is converted into electrical energy by the piezoelectric thin-film. The generator was realized by using both microfabricated lead zirconate titanate oxide–silicon (PZT–Si) and aluminum nitride–silicon (AlN–Si) unimorph cantilevers. The radioisotope direct-charged electrostatic actuation of the AlN–Si unimorph cantilevers by a 2.9-mCi $^{63}hbox{Ni}$ thin-film radiating 0.3 $muhbox{W}$ led to charge–discharge–vibrate cycles that resulted in the generation of 0.25% duty cycle 12.95- $muhbox{W}$ power pulses (across an optimal load impedance of 521 $hbox{k}Omega$) at an overall energy conversion efficiency of 3.97%. These electrical power pulses can potentially be useful for periodically sampling sensor microsystems. $hfill$[2008-0009]      

超声谐振器在传感器测距中应用分析

设计一种超声谐振器,旨在解决超声传感器远程测距中因超声波能量分散和衰减过快导致的回波信号难以识别问题。首先,根据声学理论分析了超声谐振器可以通过改善阻抗匹配提高其辐射效率;再利用Bessel函数分析了超声谐振器影响声源指向性的重要设计参数,通过改变声源频率、谐振器开口面积等设计参数可以使指向性尖锐,能量更集中。Matlab仿真计算与相应的实验均证明了理论分析的正确性和优化谐振器设计参数对提高超声探测距离的有效性与可控性。     

利用阵元异振幅优化超声传感器阵列的指向性能

超声传感器阵列是提高超声指向性性能的重要手段,本文提出利用阵列中阵元发射不同振幅超声波的方法进一步改善发射阵列的指向性性能。通过与常规阵元同振幅发射模式的指向性进行模拟和实验比较,结果表明该方法在超声阵列阵元分布形式完全相同的情况下,获得的超声波波束不但能保证主瓣尖锐的指向性,而且能有效的抑制旁瓣数量和旁瓣级,避免能量分散,提高超声发射效率。     

等强度梁式压电振动能量收集器特性研究

为了提高微型悬臂梁式压电振动能量收集器的压电材料利用率,增强其能量转换效率,基于等强度梁理论设计了一种微型压电式振动能量收集器.分析了该能量收集器的力学特性及机电耦合特性,并且与等截面悬臂梁式振动能量收集器进行了对比.研究结果表明:微型等强度梁式压电振动能量收集器的固有频率低、表面应力分布合理、压电材料利用率高、能量输出密度大,其性能明显优于等截面梁式压电振动能量收集器.     

基于ACTRAN的超声聚能器声场辐射仿真研究

设计了一种超声聚能器,旨在解决超声预警避障系统在远程测距中因超声波能量分散和衰减过快导致的回波信号难以识别问题.首先根据声学理论分析了超声聚能器可以通过改善阻抗匹配提高其辐射效率;再利用贝塞尔函数分析了超声聚能器影响声源指向性的重要设计参数,通过改变声源频率,聚能器开口面积等设计参数可以使指向性尖锐,能量更集中;ACTRAN有限元仿真软件模拟声场辐射云图及相应的实验均证明了理论分析的正确性以及优化聚能器设计参数对提高超声探测距离的有效性与可控性.     

超声回波信号特征提取器的设计

本文提出一种结合模拟电路和CPLD器件对超声回波信号特征提取的方法,提取的特征量包括8寸间、能量和幅值信号。通过对超声回波信号特征的分析,该方法利用微分器、积分器、延时电路、波门电路、计数器以及峰值保持模块,直接对检波后的超声信号进行处理提取信号特征。最后对各个模块进行了模拟仿真,结果表明本文提出的电路设计可以实现对超声回波特征的提取,能够提高精度和检测效率,并为进一步自动检测开发提供了基础。     

A scrape-through piezoelectric MEMS energy harvester with frequency broadband and up-conversion behaviors

We propose a MEMS piezoelectric energy harvester with a wide operating frequency range by incorporating a high-frequency piezoelectric cantilever and a metal base as the top and bottom stoppers with a low-frequency piezoelectric cantilever. Frequency up-conversion of the piezoelectric energy harvester is realized when the low-frequency piezoelectric cantilever impacts and scrapes through the high-frequency piezoelectric cantilever. For an input acceleration of 0.6?g, with top and bottom stopper distances of 0.75 and 1.1?mm, respectively, the operating frequency ranges from 33 to 43?Hz. The output voltage and power up to 95?mV and 94 nW can be achieved. Experimental results indicate that the frequency up-conversion mechanism significantly improves the effective power.     

提高振动发电机充电效率实验研究

为提高压电单晶悬臂梁振动发电机充电效率,建立集能量捕获存储于一体的振动发电储能系统,测试了同一规格陶瓷片贴于梁不同位置发电机的发电与充电性能,试验发现:在一阶与二阶振动模态下,各存在一个最佳粘贴位置可使发电机充电效率得到显著提高.在一阶模态下,陶瓷片贴于悬臂梁根部时,发电机充电时间最短;对于二阶模态,陶瓷片贴于梁中间位...     

暖通空调系统中新型传感器的应用

为优化暖通空调系统的运行效率,构建一种应用于暖通空调中新型超声波流量传感器,提出暖通空调系统中新型传感器的应用方法。首先根据传感器运行输入量和输出量两者之间的关系分析超声波流量传感器的静态特性和动态特性,并计算输入量及输出量的最大重复差。以此为依据分析传感器运行状态变化规律,并研究超声波流量传感器的传播速度和流速关系,将流速关系进行数字化处理,实现新型传感器的运行数值测定。通过实验与仿真进行传感器网络延时时长、声波传播速度、能耗对比测试与性能检测,结果表明,所提方法传感器网络生存期长、效率高、能耗低,具有一定的实用价值。