一种回折梁结构低频压电能量采集器

为满足振动频率在一定范围内变动,且在空间有限的环境下无线传感器系统的自供能需求,设计了一种具有3个自由度的回折梁振动压电能量采集器。基于系统结构和工作原理,进行了理论分析及建立了回折梁结构有限元模型,并对该模型进行了有限元分析和模态仿真。制作回折梁压电能量采集器的原理样机,搭建试验平台,在振动台上进行试验。试验结果表明,理论分析、有限元模拟结果与实验结果吻合,在3.5～8.5 Hz低频振动下能产生大于5 V的电压,最高输出电压约为17.5 V,是传统单梁结构的1.4倍,且具有3个输出电压峰,工作带宽为传统单梁结构的4.5倍,实现了宽频效果。所提出的回折梁结构压电能量采集器在低频、振动频率变化的环境中有效且自适应。     

低频高功率振动能量采集器研究进展

从振动能量采集器的低频、高功率特点出发,分析了电磁式、磁电式、静电式、压电式这四种结构的优缺点。详细介绍了这些振动能量采集器的发展现状与趋势,并比较了它们的性能与实用性。压电式振动能量采集器的研发时间最早,各项性能参数较均衡。设计时可以优先选择压电式振动能量采集器。     

MEMS压电-磁电复合式振动能量采集器

具有高能量输出密度的自我供电振动能量采集技术有着迫切的应用需求,是智能化MEMS器件系统发展的重要方向。研究了一种可将外界环境振动能转化为电能的MEMS压电-磁电复合振动能量采集器,其综合了压电发电和磁电发电的优势,为新型MEMS供电研究提供了新思路。利用溶胶-凝胶工艺完成锆钛酸铅(PZT)压电功能薄膜的制备,采用MEMS加工技术完成器件四悬臂梁-中心质量块基础结构的设计和制作,结合集成封装技术实现微结构与永磁铁的微组装。测试结果表明:在一阶谐振频率247 Hz,10 g加速度激励的振动状态下,器件压电部分压电敏感单元与磁电部分电感线圈的单位体积最大有效输出电压分别为2.066×107和5.002×106 mV/cm3。     

三轴电磁式振动能量采集器设计与验证

针对传统化学电池需定期更换并进行周期性充电、在户外环境无法长期稳定供电的问题,设计了一种悬浮式电磁振动能量采集器。基于电磁感应原理对能量采集器进行了理论分析,制作了三轴电磁式振动能量采集器,分别在X、Y、Z三个方向布置振动能量采集器单体,设计了能量转换电路,将收集到的电能转变为3.3 V直流电。开展了台架测试和应用场景测试,结果表明,振动能量采集器单体在振动幅度为10 mm、振动频率为9 Hz时输出性能最高,最大输出功率为43.11 mW。探究了振动能量采集器单体在不同振动幅度和振动频率下的直流输出性能,在振动幅度大于10 mm、振动频率为4～8 Hz时可为LIS3DH加速度传感器稳定供电。通过沿X、Y、Z轴布置的振动能量采集器单体阵列,使振动能量采集器具备全方向收集振动能量的能力,大大提高了收集振动能量的效率与适应性。该采集器可应用于诸如机器振动、波浪、人体运动等多种场景的振动能量收集,实现为无线传感网络节点等低功耗用电器供能,具有一定应用价值,可为研究低功耗电子元器件的自供电技术提供参考。     

低频压电式MEMS振动能量采集器研究

设计了一种低频压电d31模式的"八悬臂梁-中心质量块"结构微机电系统(MEMS)振动能量采集器,实现环境振动能量向电能的转换。首先利用溶胶-凝胶工艺实现PZT压电薄膜的异质集成制造,单个锆钛酸铅(PZT)压电敏感单元的有效尺寸为935μm×160μm×1.5μm;然后通过MEMS加工工艺完成器件微结构的加工制造,器件结构有效体积为9.936×10~(-4)cm~3;最后借助振动测试系统对该器件的各项输出性能进行测试。测试结果表明,谐振频率为60Hz、加速度激励为1g(g=9.8m/s~2)时,该能量采集器的输出电压峰-峰值为232mV。在其两端加载3.0 MΩ的负载时最大输出功率为6×10~(-4)μW,输出功率密度为0.604μW/cm~3,PZT压电敏感单元有效面积下的输出功率密度为0.025μW/cm~2。     

基于激光切割的叉指结构悬臂梁式压电振动能量采集器

为了拓宽有效的输出带宽,通过激光切割法进行加工,设计并制备了一种具有叉指结构的锆钛酸铅(PZT)悬臂梁式压电振动能量采集器(PVEH)。仿真结果显示,相比常规的悬臂梁式PVEH,具有叉指结构的悬臂梁式PVEH拥有更低的一阶固有频率以及更多的输出电压峰值。利用双通道示波器、函数信号发生器、振动台、加速度计和功率放大器等搭建测试平台,对制备的悬臂梁式PVEH进行测试。结果表明,在0.5g加速度的条件下,常规的悬臂梁式PVEH的固有频率为30.80 Hz,输出电压峰值为4.88 V;具有叉指结构(叉指数目为8且叉指长度为40 mm)的悬臂梁式PVEH具有4个固有频率,分别为17.70、37.30、74和81 Hz,对应的输出电压峰值分别为7.28、3.07、0.366和0.084 V。通过对比研究发现,具有叉指结构的悬臂梁式PVEH的一阶固有频率降低了42.53%,一阶输出电压峰值提升了49.18%,实现了性能的有效提升。     

分段悬臂梁压电振动能量采集器及其理论建模研究进展

压电振动能量采集器在无线传感器、嵌入式医疗设备、微电子机械系统(MEMS)、物联网(IoT)器件等低功率设备的供电中有广泛的应用前景,其中分段悬臂梁采集器因具有低频宽带、微尺寸和多方向采集等潜在优点而成为研究热点。评述了分段悬臂梁压电能量采集器及其理论建模的最新研究进展,介绍了压电能量采集原理及典型结构,梳理了各种分段悬臂直梁和角梁采集器的类型和结构特点,比较分析了其输出电压、输出功率和工作频率等性能,讨论了采集器的现有建模和求解方法的优缺点和难点,指出了应用面临的供应挑战。最后,总结了该能量采集技术目前存在的问题,并展望了其未来发展方向。     

一种悬臂梁式MSMA振动能量采集器研究

振动能量在自然界中广泛存在,利用智能材料收集振动能量为微电子系统供电是新能源领域的发展趋势。该文利用新型智能材料磁控形状记忆合金(MSMA)的逆效应研究设计了一种基于悬臂梁式的MSMA振动能量采集器,对采集器的各部分结构进行理论分析和系统设计,并建立了振动能量采集器的结构模型。利用ANSYS软件对磁场进行有限元分析,验证了磁场回路和磁感应强度满足采集振动能量的要求。在此基础上,研制了采集器样机,并通过搭建实验平台对采集器进行实验测试,结果表明,该悬臂梁式MSMA振动能量采集器具有较宽的振动能量采集频带,输出电压可达220 mV,为振动能量的收集利用提供了参考依据。     

风车型低频压电振动能量采集器的研究与设计

基于微机电系统（MEMS）设计了风车型结构的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,用以解决环境中低频能量采集的问题。风车型结构的压电振动能量采集器以硅为基底,以PZT 5A为压电材料,包含上、下电极;4条悬臂梁旋转连接中心质量块与四周固定端,类似于风车结构。数学建模与有限元仿真分析表明,在结构尺寸与材料相同的情况下,圆弧风车型结构的谐振频率较直接连接、直角连接结构的谐振频率更低;4条悬臂梁距离中心质量块越远,谐振频率越低;在0.1g(g=9.8 m/s2)加速度谐振状态下,输出电压约为6.2 V,最大位移接近1.2 mm。基于MEMS工艺,通过IntelliSuite软件研究和定义了风车型振动能量采集器的工艺流程。     

MEMS压电能量采集器的研究进展

压电材料可以将机械能转化为电能的特殊性质引起了基于压电材料的能量采集器的研究.概述了压电能量采集器收集能量的原理,分别介绍了压电能量采集器的悬臂梁型、隔膜型和桥型这三种常用结构以及其他结构,介绍了一种利用块状压电陶瓷制作压电悬臂梁的新型工艺.简述了线性拓频和非线性振动拓频两种悬臂梁型能量采集器的带宽优化方法.举例说明了...     

低频宽带压电能量采集器的设计与性能分析

为解决悬臂梁式压电采集器存在的高谐振频率和窄工作频带问题,设计了一种由n段梁和n个质量块构成的新型采集器。首先考虑在尺度效应影响条件下建立微段梁的动力学模型,并实验验证了模型的准确性。进而建立了新型采集器的动力学模型,推导了其外界激励的响应及输出电压计算公式。最后以n=2为例讨论了其谐振频率和输出电压方面的性能。结果表明采集器的谐振频率得到大幅降低,在50 Hz以下存在15.25 Hz和23.08 Hz两个谐振点,在20.32 Hz有效工作频带内,输出电压在80 mV以上。     

基于压电材料的振动能量收集器的谐振频率调节

振动能量收集器的最大输出电压发生在共振状态,因此其谐振频率应与环境振动频率一致.针对振动能量收集器与环境频率不匹配的问题,采用单自由度模型分析了悬臂梁-质量块结构的振动能量收集器谐振频率等性能,加工并测试了压电式的微型振动能量收集器样机,结果谐振频率的误差最大为6％.通过质量调节方法进一步将样机的谐振频率调节了10.5 Hz的宽度.针对50 Hz的振动环境,将谐振频率为58.7 Hz的样机调节到了50.4 Hz,输出电压提高了4倍.     

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。     

压电电磁复合式振动能量采集器模型的研究

针对目前单一化的压电式或电磁式机械振动能量采集装置最大输出功率较低的问题,设计了一种新型的压电电磁复合式能量采集器。通过对复合式能量采集器建立数学模型,推导出了电压、电流及输出功率的表达式。然后对复合式能量采集器的输出功率特性进行数值仿真,并设置压电片内阻值及其他参数条件,对比分析复合式能量采集器模型与单一的压电式或电磁式能量采集器模型,理论上输出功率提高了38.2%和4.74%。最后通过对采用悬臂梁结构的振动能量采集器的具体实验数据进行分析,论证了压电电磁复合式能量采集器输出功率的高效性。     

一种直角螺旋悬臂梁结构的压电能量收集器

提出了一种2π弧度的直角螺旋悬臂梁结构的压电能量收集器。该设计一方面可以降低谐振频率,另一方面可以提高单位体积的能量收集效率。悬臂梁整体结构厚度为2 mm,宽度为6 mm,整体尺寸大小为22 mm×26 mm。当施加的激励为0.1g加速度时,仿真输出电压为1.95 V,测量输出电压为1.8 V,相对电压误差为7.7%;仿真谐振频率为269 Hz,测量谐振频率为265 Hz,相对频率误差为1.5%;理论输出功率为7.04μW,测试输出功率最大为5.79μW,相对功率误差为17.8%。该压电能量收集器适用于便携式微电子系统。     

用于振动能收集器的弛豫铁电单晶切型研究

弛豫铁电单晶具有优越的压电性能和良好的温度适应性,在压电器件领域具有良好的应用前景。但是由于其复杂的工程化畴组态和各向异性,在器件设计过程中必须要考虑切型问题。该文从物联网电源的需求出发,以弛豫铁电单晶应用于振动能收集器为例,构造了以输出电压为考核目标的优化切型判据;利用基于欧拉旋转定理的张量计算方法计算分析了沿其赝立方结构的[001]、[011]和[111]极化的铌镁酸铅-钛酸铅单晶适用于振动能收集器的优化切型;分析了3种切型对切角误差的敏感性;最后给出了优化切型下的相关物理性能张量。     

悬臂梁压电式能量收集器频带扩展研究

为了扩宽悬臂梁压电式能量收集器的工作频带,提出了一种新型的电学连接方案.通过将悬臂梁表面电极分为两个对称区域,实现扭转模态下正负电荷的有效收集.对悬臂梁的结构尺寸进行优化,使弯曲模态接近扭转模态的谐振频率,以扩宽压电式能量收集器频带.根据Erturk的分布参数机电模型,研究了两种模态下的输出电压与固有频率.研究结构表明...     

MSMA振动能量采集器的设计与实现

采用智能材料磁控形状记忆合金(MSMA)将机械振动能量转换成电能为无线电子设备供电已备受关注。该文利用MSMA的维拉利效应(逆磁致伸缩效应)分析了MSMA振动能量采集器工作原理,计算并确定了振动能量采集系统的磁轭、线圈、保护系统、固定装置的尺寸和性能参数。利用ANSYS软件对系统进行了仿真,验证了各部分结构参数和材料选型的正确性。在此基础上,设计制作了MSMA振动能量采集器样机,搭建了MSMA振动能量采集器实验平台,进行了振动力激振实验,得到了在不同输入频率和应力大小条件下感应电压的输出曲线,实验和仿真结果表明,利用MSMA材料可将机械振动能量转化为电能,为振动能量收集利用提供了参考依据。