基于压电发电的隧道环境中能源的利用

通过对隧道环境内可利用能源进行测试研究,设计了一种适用于隧道环境的压电悬臂梁发电装置.针对地下隧道环境的振动频谱特征,选择高性价比的压电材料,通过有限元方法进行仿真研究,设计合适尺寸与材料的压电悬臂梁.设计采集系统外围电路,实现低能耗收集利用压电装置转化得到的振动能量.     

复合型悬臂梁压电振子振动模型及发电试验研究

单悬臂梁压电振子俘获环境中振动能时,对环境振动频率敏感且频带有限,在谐振频率与环境振动频率不匹配的情况下,会导致压电振子俘能效率低下。基于此,设计复合型悬臂梁压电振子并建立其振动模型,采用激光测振仪对复合型悬臂梁压电振子进行扫频测试。研究结果表明,复合型悬臂梁压电振子谐振频率范围为56～72Hz,与理论分析结果基本吻合,试验验证了理论模型的正确性。相比于单悬臂梁压电振子,复合型悬臂梁压电振子有效地拓宽了其谐振频带,易于实现与环境振动源振动频率匹配以提高压电发电效率。在此基础上,进行复合型悬臂梁压电发电装置的发电能力测试,在负载为820?,工作频率为60Hz时最大输出功率达到4.9mW,产生的能量能够满足网络传感器等低耗能微电子产品的供能需求。     

基于压电悬臂梁振动能量收集器的摩擦自激振动能量收集

针对机械装备滑动摩擦副广泛存在的高强度摩擦自激振动,设计了结构简单的压电悬臂梁振动能量收集器并安装在滑动摩擦副上,以实现将摩擦自激振动能量转换为电能。通过在CETR摩擦磨损试验机上开展摩擦自激振动能量收集试验以及进行相应的有限元和数值仿真分析,验证设计的压电悬臂梁振动能量收集器的效果并分析其机理。结果表明,压电悬臂梁振动能量收集器输出电压的时域演变规律和频域特性与相应的摩擦自激振动信号一致,故设计的压电悬臂梁振动能量收集器可有效地将摩擦自激振动能量转换为电能,实现了摩擦自激振动能量的收集;法向载荷的增大使得输入摩擦系统的能量显著增强,导致摩擦副界面摩擦自激振动强度增大,从而增加了压电悬臂梁振动能量收集器的激励源强度,使其输出电压显著增大;在较大的法向载荷作用下压电悬臂梁振动能量收集器的输出电压最大值达到近4 V且频率较高,可为低功率传感器提供电能供应。     

多向振动压电发电关键技术的研究

环境中振动能量收集效率低的问题是当前压电发电技术研究的焦点。为了提高环境中振动能量的收集效率,研究了一种可以收集环境中多个方向振动能量的压电发电关键技术。首先,利用压电发电技术的基础理论建立压电悬臂梁的数学模型,并对其进行振动力学分析;然后利用ANSYS对压电悬臂梁进行有限元仿真分析,优化结构使其固有频率与环境振动频率相符;最后制作多向压电发电装置,对其进行理论分析和实验测试。实验结果证明,多向振动压电发电关键技术可以有效地提高环境中振动能量的收集效率。     

多频响应的压电振动能量采集器的性能分析与测试

为了提升压电悬臂梁采集振动能量的能力,研究了一种具有多频振动响应的振动能量采集器。在压电悬臂梁与振动激励源之间增加一个附加梁,压电悬臂梁和附加梁的末端分别安装一个质量块,压电悬臂梁和附加梁垂直连接。附加梁的末端质量被设计为远大于压电梁的末端质量,而压电梁的一阶谐振频率在附加梁的前两阶谐振频率之间。采用该设计,压电悬臂梁的振动响应是多个谐振频带的叠加。通过建立机电解析模型,描述了所提出的振动能量采集器的振动响应和发电特性,同时制作了一个振动能量采集器样机进行试验,结果表明,与传统的悬臂梁振动能量采集器相比,所提出的振动能量采集器可以在更宽的频带范围内采集更多的振动能量。     

ZnO压电薄膜微悬臂梁的结构设计及研究

当压力作用在ZnO压电薄膜微悬臂梁上时,产生电荷量的大小将直接决定压电传感器灵敏度的高低.根据等效截面法,推导了复合微悬臂梁所受的作用力与其产生电荷量的关系方程,为传感器标定和力的测量提供理论依据,并依据此转换方程,对压电微悬臂梁的结构尺寸进行比较分析,以提高传感器的灵敏度和分辨率.此研究为压电微悬臂梁压力传感器的结构优化设计提供了一定的参考.     

无线传感器网络的节点能量自供给方法

从实际应用角度出发,全面分析了无线传感器网络节点的功能特点、压电悬臂梁的频率选择以及俘能电路的功能特性,提出了集成化的环境振动能量采集器,并进行了实验研究.结果表明,所制备的环境振动能量采集器的整体装配尺寸约为83 mm×55 mm×12 mm,在33 mA的驱动负载下能提供稳定的3.3 V供电电压,根据俘能电路的输入输出特性,可计算出其综合转换效率约为79％.     

悬臂梁压电发电技术研究

为了进行压电陶瓷材料发电性能测试与研究．研制了一套悬臂梁压电振子发电系统。设计了悬臂梁压电振子,在加速度2．5m／s^2、频率64Hz振动条件下,利用ANSYS进行了仿真。研究结果表明,该压电悬臂梁发电装置能输出85μW的功率,可以满足无线网络传感器工作的需要。     

采用复合磁电换能器的宽带振动能量采集器

采用磁致伸缩/压电层合磁电换能器设计了一种新型的宽带振动能量采集器,采集器由多个悬臂梁、磁电换能器和永磁体组成,将磁电换能器和提供磁场的永磁铁分别与悬臂梁构成具有不同固有频率的弹性结构,从而响应不同频率的机械振动.推导了换能器和永磁体组间磁力作用下能量采集器的动力学方程及其电输出模型;借助磁场分析软件Ansoft's Maxwell研究了影响能量采集器的频率特性及电能输出的因素,为获得最优性能的能量采集器提供设计依据.根据分析设计了振动能量采集装置并进行了实验,实验结果表明:在振动加速度为0.2 g(g=9.8 ms-2)时,当两悬臂梁间频率差为3.6Hz时,振动能量采集器响应频带宽度从单梁结构的0.8 Hz增加到双梁结构的5.0 Hz,负载电阻为1 900Ω时,其上的功率达到最大0.22 mW.     

磁铁间距对双稳态压电悬臂梁俘能器输出特性的影响研究

建立了双稳态压电悬臂梁俘能器的机电耦合动力学方程,基于磁偶极子模型进行了 2 个磁铁间磁力的计算,根据静态平衡点分析得到了系统发生双稳态运动时的磁铁间距范围。数值仿真分析了环境激励源振动频率发生变化时磁铁间距变化对系统平均输出功率的影响规律,设计制作了磁铁间距可调的双稳态压电悬臂梁俘能装置,并进行了环境激励频率变化条件下的压电悬臂梁振动能量捕获实验。实验结果与仿真分析具有较好的一致性,为提高双稳态压电悬臂梁俘能器的发电性能提供了一种有效途径。     

磁力调频压电电磁复合发电设计与实验

开展了基于环境振动发电作为微电源弥补传统化学电池供能缺陷的研究。基于非线性磁力调频开发了低宽频振动能采集压电电磁复合发电系统。介绍了发电装置工作原理;利用ANSYS和Ansoft Maxwell有限元分析软件仿真分析了压电和电磁发电的输出特性;最后,搭建了压电电磁复合宽频发电装置实验测试系统,测试了发电系统在磁力自调过程中的输出特性。实验结果显示:复合发电系统在谐振频率60Hz时输出开路电压峰值为5.8V,高于压电系统(5.5V)和电磁系统(410mV)独立发电的开路电压峰值。施加磁力拓宽装置后,当压电悬臂梁沿竖直方向上下移动0~15mm时,系统适应谐振频带拓宽为45~76Hz;悬臂梁沿水平方向平移0~30mm时,谐振频带拓宽为51~70 Hz。结果表明仿真分析与实验测试结果吻合很好。该宽频带能量采集技术可用于低频振动环境的能量采集,可在频变环境中为微型低功耗系统提供低电能。     

自供电无线传感网络节点设计

针对无线节点续航难题,提出一种自供电无线传感网络节点设计方案。该方案采用双晶悬臂梁式压电振子自发电结构,针对传统以电容为存储介质的能量收集电路的缺陷,采用新型压电能量收集存储芯片LTC3588-1及LTC4071搭建电路,设计无线节点模块并进行试验分析。试验结果表明:该方案能量收集效率高,可满足占空比为1%的无线传感网络节点工作需求,且适应于各种复杂振动环境。     

MEMS低频压电振动能量采集器

设计了基于微机电系统（MEMS）的一阶、二阶传动低频压电振动能量采集器,通过压电效应将低频振动能量转化为电能来解决低频（小于200 Hz）振动环境中的能量采集问题。一阶传动能量采集器模型包括一阶传动梁及压电悬臂梁,二阶传动能量采集器模型包括一阶传动梁、二阶传动梁及压电悬臂梁。数学建模及有限元分析显示：采集器工作频率随一阶、二阶传动梁及压电悬臂梁材料的杨氏模量的减小均呈单调递减的趋势;传动梁的设计可有效降低采集器的高阶工作频率、拓宽工作带宽;而二阶传动梁可以在1g加速度条件下,获得10.98 Hz和44.52 Hz两个超低频率的电压峰值（分别为3.18 V/g和1.33 V/g）,使系统工作频率降得更低,50 Hz以下的有效工作带宽更宽,更适合与低频振动环境匹配进行能量采集。     

用于多频振动的MEMS复合式能量采集器的设计

设计、模拟了一款用于多频振动的MEMS复合式能量采集器,提出了一种新颖的能量采集结构,即将压电式悬臂梁和可变电容器结合起来用于多频振动能量的采集。在建立多频振动能量采集系统分析模型的基础上,使用MatLab/SIMULINK的数值模拟,预测了功率输出。模拟结果显示,该结构可在630~655 Hz有效工作,在负载为50 kΩ时,输出功率可达13.46 μW。基于这个结果,给出了一个优化设计方案,同时为了防止结构失效,对结构进行了有限元仿真分析。仿真分析结果显示了良好的预期性能,说明了该设计指导思想的合理性和先进性。     

复合L形宽频压电悬臂梁的建模与仿真

为提高单频压电悬臂梁的振动能量采集转换效率,提出一种复合L形压电悬臂梁的宽频拓展技术,通过在单频压电悬臂梁水平结构中增加一个辅助垂直悬臂梁,组成L形压电悬臂梁,通过控制L形压电悬臂梁的结构和材料参数使悬臂梁的2阶模态频率为1阶模态频率的2倍,将1阶、2阶模态频率串联起来形成一个宽频的谐振带。利用拉格朗日方程和模态假设法建立了L形压电悬臂梁的频率方程和振动方程,通过数值仿真分析了L形压电悬臂梁结构和材料参数对其频率特性和振动特性的影响,并确定了系统的最佳结构和材料参数,实例验证了悬臂梁宽频拓展方法的正确性。     

基于钢轨吸振器的多模态复合式俘能器性能研究

针对现有的轨道振动俘能器效率低的问题,设计了一种钢轨吸振器和多模态压电电磁复合式俘能器结合的复合吸振器,在有效减轻轮轨系统振动的前提下回收振动能量,为低能耗轨旁设备供电.建立了车轮钢轨复合吸振器系统的摩擦耦合振动模型,与现场实测数据进行对比验证了模型的正确性.在此基础上,分析了多模态复合式俘能模块对轮轨系统振动特性的影...     

基于槽式悬臂梁结构的微质量传感器设计

压电式微质量传感器的测试精度直接依赖于结构频率对质量变化的灵敏程度。本文利用对称槽型梁和压电薄膜组成的对称敏感结构,提出了一种提高传感器灵敏度的结构设计方法,并设计了一种高精度谐振式微质量传感器。建立了结构频率变化对吸附质量敏感性的分析模型,并研究了槽型截面参数、自振频率及振动模态对灵敏度的影响。与矩形截面结构进行了仿真与实验对比,结果表明,相同几何尺寸参数下,槽型截面悬臂梁的一阶自振频率为1 851 Hz,矩形截面悬臂梁的一阶自振频率为1 610 Hz,相应的传感器灵敏度则分别为3.12×10⁴ Hz/g和1.5×10⁴ Hz/g,前者是后者的2倍。该项设计为提高微质量传感器灵敏度提供了一种新思路。     

宽频压电振动能量采集器的分布参数模型与实验

为解决无线传感网络节点自供电问题,提出了一种带有弹性支撑与放大的宽频压电振动能量采集器。利用Hamilton原理和Raleigh-Ritz方法,并考虑悬臂梁末端质量块的影响,建立了压电能量采集器的分布参数机电耦合模型;数值分析了能量采集器质量比、刚度比和阻尼比等参数对系统振动特性、输出特性的影响;研制了实验原理样机,搭建了实验测试平台,验证了数学模型的正确性。研究结果表明,分布参数模型比集总参数模型具有更高的预测精度。