宽频压电振动能量采集器的力-电输出特性分析

压电振动能量采集器是一种新型的力(加速度)-电耦合转换输出器件,为了提高单自由度悬臂梁压电振动能量采集器的输出功率和工作频带,通过在单自由度悬臂梁压电振动能量采集器模型基础上增加一个弹性放大器的方法,构造形成了具有两自由度的宽频压电振动能量采集器。利用ANSYS有限元软件建立了宽频压电能量采集器的有限元力-电耦合模型,数值分析了模型中各参数(如质量比、阻尼比以及负载电阻等)对系统力特性(速度、加速度等)和电输出特性(电压、电流、输出功率等)的影响。研究结果表明：大的质量比和小的阻尼比能够提高压电悬臂梁能量采集器的输出功率并拓展其工作频带;短路谐振状态下的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电流,而开路谐振状态的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电压,优化后的短路谐振和开路谐振最大输出功率分别达到4386.5 mW/g2和4263.4 mW/g2。频带宽度达到10 Hz,且是SDOF系统的5倍。     

基于双ZnO薄膜单元并联结构的微型压电振动能量采集器(英文)

报道了一种基于ZnO压电薄膜双单元结构的压电式微型振动能量采集器,其中的双压电元件是并联结构.采用射频磁控溅射技术制备ZnO压电薄膜,同时,该压电式振动能量采集器采用微加工技术制作.测试表明该器件的共振频率为1 300 Hz,基于ZnO薄膜双单元并联结构的压电式振动能量采集器比起具有同样尺寸的传统型压电振动能量采集器有更高的输出性能.在频率为1 300 Hz,加速度为10 m/s2的外界振动激励下,该压电式振动能量采集器在1 MΩ负载电阻上产生的电压为2.06 V;当负载电阻为0.6 MΩ时,输出功率最大为1.25μW.     

多方向振动能量收集装置输出特性分析

针对一种压电振动能量收集装置输出特性展开研究,以实现多方向、宽频振动能量收集。首先,建立压电悬臂梁单自由度振动系统的微分方程,分析外激励下悬臂梁的输出响应。在此基础上,采用COMSOL建立多悬臂梁式振动能量回收装置有限元模型,并进行模态、输出电压及输出功率等分析,仿真结果表明振动能量回收装置在不同方向激励时均具有较高的电压、功率输出。此外,进一步讨论了装置的在不同方向激励下宽频输出特性,结果显示其在200～400 Hz频带范围内具有多个幅值相当的峰值。     

磁悬浮式双自由度轨道车辆轴箱振动能量采集器研究EI北大核心CSCD

提出了一种适合采集轨道车辆轴箱振动能量的磁悬浮式双自由度振动能量采集器。基于单自由度磁悬浮振动能量采集器的基本原理,设计磁悬浮式双自由度振动能量采集器的基本构型。利用磁偶极子模型,推导了圆柱磁铁的磁力方程,建立了磁悬浮式双自由度能量采集系统的动力学方程。考虑到系统具有的强非线性特点,利用龙格⁃库塔方法,得到了系统的幅频响应曲线。根据轨道车辆轴箱实测时间历程和频率分布特点,设计了磁悬浮式双自由度振动能量采集器的核心参数。对比分析单自由度振动能量采集器和双自由度振动能量采集器的频率响应特性。研究结果表明:非线性双自由度振动能量采集器可以有效拓宽俘能装置的工作带宽,进而提高能量采集功率。在简谐振动激励下,双自由度振动能量采集器比单自由度振动能量采集器的输出功率增加了约1.1倍,且工作带宽可以拓宽约2.7倍;在实测的轨道车辆轴箱振动激励下,双自由度振动能量采集器在一站间可采集到31.5 mJ能量,峰值感应电流为14.6 mA,峰值输出功率为9.4 mW。     

基于压电效应的声能量收集

对圆盘式压电能量收集器在声场作用下的电能输出效果进行了研究。将处于夹持状态的压电陶瓷片,放置在单频稳态的正弦波形声场中,由于激振作用,压电陶瓷片会产生形变。实验结果表明,在器件处于谐振状态时输出电压和功率会达到最大值。在正弦声场中,当声波频率达到907 Hz的谐振频率时压电陶瓷片的开路输出电压可以达到4.6 V;在110 dB的声场中,当负载电阻达到11.2 kΩ时,输出功率最大可达60.4μW。     

悬臂梁压电振动能采集器的集总参数模型和实验验证

压电振动能采集器是无线传感节点的一种理想电源,近年来受到广泛关注．考虑质量块和逆压电效应影响,建立了在基础激励作用下的悬臂梁压电振动能采集器的集总参数运动微分方程,得到了采集器固有频率的解析表达式．引入了2个反映压电层连接方式的常数,建立了对单压电层、双压电层并联和双压电层串联的悬臂梁压电振动能采集器均适用的耦合电路方程．求解以上方程,得到了简谐基础激励下的输出电压表达式．实验结果表明,固有频率和输出电压表达式的相对误差分别小于10％和20％．     

悬臂梁压电发电装置的实验研究

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,并对压电振子进行了有限元分析和电导测试.在此基础上,设计了能量存储电路,并在低频下对悬臂梁压电振子发电性能进行了实验研究.研究结果表明,当悬臂梁压电振子处于谐振频率状态下振动时,输出电压和功率达到最大.输出电压随着负载的增大而增大,输出功率并不随着负载的增大而增大;压电振子存在-个最佳阻抗,当负载与最佳阻抗匹配时,此时压电振子的能量转化效率最高且输出功率最大.利用本实验系统进行压电发电实验测试,当负载为50 kΩ时,压电振子输出电压为7 V;当负载电阻为15 kΩ时,此时的输出功率最大可达到1.4 mW,产生的功率可以满足无线传感器等低耗能产品的供能需求.     

非对称、变势能阱三稳态压电振动能量采集器特性研究

为了提升压电振动能量采集器的综合输出性能,提出了一种具有非对称、变势能阱的三稳态压电振动能量采集器,它由一个末端带磁铁的压电悬臂梁以及一对可随弹簧拉伸和压缩而变动的外部磁铁构成。外部磁铁固定在水平弹簧自由端并与基座相连,且能够随着弹簧压缩和拉伸发生水平移动和转动,从而使系统产生非对称且随时间变化的势能阱。基于点磁荷法和拉格朗日函数,建立了压电振动能量采集系统的非线性磁力模型和分布参数动力学模型;仿真分析了磁铁间距离以及加速度和弹簧刚度等参数对系统势能及其动力学响应特性的影响规律。研究结果表明：弹簧拉压是产生非对称、变势能阱的主要因素;弹簧刚度使非对称势能阱的深度变浅,使采集器更易进入大幅阱间振动状态;随着弹簧刚度的增大,采集器输出电压随之先增大后减小。在低激励振幅下,非对称、变势阱能量采集器比传统对称势阱采集器有更广的频带宽度和更高的采集效率。     

L型压电振动能量采集器的有限元分析与特性仿真

单频悬臂梁式压电振动能量采集器存在工作频带窄、采集转换效率低等问题。通过在单频悬臂梁式压电振动能量采集器的水平悬臂梁末端增加一垂直悬臂梁,构造了一种L型宽频压电振动能量采集器;运用有限元法建立L型振动能量采集器的有限元分析模型,仿真分析了L型振动能量采集器的结构参数对其前两阶模态频率的影响,得到了结构最优尺寸。利用Hamilton原理建立了L型能量采集器的机电耦合分析模型,对其振动特性和电输出特性进行了数值仿真,结果表明L型结构能够提高能量采集器的工作频带和采集效率。     

考虑尺度效应的微振动能量采集器建模

考虑尺度效应~([1]),引入等效杨氏模量以便于对微压电悬臂梁进行有限元建模。搭建了振动特性实验平台,验证了考虑尺度效应的微梁动力学模型准确有效。在此基础上完善了微振动能量采集器的动力学模型,设计并制备了T型Si悬臂梁振动能量采集器。通过实验测试得到采集器的谐振频率、尖端位移和输出电压,与有限元分析结果相比较,改进模型比宏观模型的误差降低了13%,35%和22%。     

多稳态压电振动能量采集器的非线性动力学特性及其实验研究

为了提高非线性双稳态压电振动能量采集器的输出性能,提出了一种基于磁-机-压电耦合的非线性多稳态振动能量采集器,通过在双稳态压电振动能量采集器模型基础上增加一对外部磁铁,构造了具有四个稳态的非线性压电振动能量采集器。利用磁偶极子理论建立了采集器悬臂梁末端磁铁与外部磁铁之间的非线性磁力模型;利用Hamilton原理和Raleigh-Ritz方法建立了四稳态压电振动能量采集系统的分布参数机电耦合动力学模型;仿真分析了磁铁水平间距和外部磁铁间距等参数对系统非线性磁力、非线性分岔特性和动力学特性的影响。制作了四稳态压电振动能量采集器原理样机,搭建了样机性能测试平台,实验结果与仿真结果具有较好的吻合度。研究结果表明四稳态压电振动能量采集器可以在低激励水平作用下显著提高能量收集效率,且具有较宽的工作频带。     

用于振动能量收集的MEMS压电悬臂梁

本文介绍了一种MEMS悬臂梁器件,将环境中的振动机械能转化为电能.该悬臂梁的主体材料为单晶硅,其上覆盖一层用Sol-Gel法制备的PZT压电材料,利用压电材料的正压电效应实现机电能量的转换.论文给出了悬臂梁式振动能量收集器的一个简单理论模型.器件采用(110)硅基片,有利于通过湿法腐蚀制备质量块.质量块可以用来降低器件的谐振频率,并提高输出电功率.尺寸参数为3600μm×270 μm的器件样品的测试结果表明,在其谐振频率1673Hz,振幅为11nm的振动条件下,该器件的最大输出功率大于1nW,即0.11 μW/cm2.     

一种带有可滑动可旋转质量环的宽频带压电振动能量采集器（英文）

报道了一种基于谐振器自我调频机理设计并制作的宽频带压电振动能量采集器(PVEH).该能量采集器主要包括一个双端固定梁结构、两个压电传感单元和一个可动金属质量环.在该结构中,利用可动质量环代替传统能量采集器中的固定质量块.在外界振动作用下,该可动质量环不仅可以滑动而且可以旋转.实验表明,在外界振动加速度分别为0.2g、0.4g、0.6g的情况下,该能量采集器的带宽分别为16.0 Hz、16.9 Hz和22.6 Hz.与固定质量环、一个压电传感单元的相同结构PVEH相比,该能量采集器的带宽分别增加了416!、463!和653!.因此,该可滑动可旋转质量环的引入可以有效增加能量采集器的带宽,从而为宽频带能量采集器的设计提供了一种简单易行的方法.     

混合激励压电振动能量收集器的机电响应分析EI北大核心CSCD

为提高压电振动能量收集器在多种能量环境下的工作效率,旨在研究一种基础激励和风流体混合激励下压电振动能量收集器的机电响应性能。根据Euler-Bernoulli弹性梁振动理论建立了混合激励下压电悬臂梁的分布参数模型,通过建立机电耦合降阶模型得到了系统的第一阶模态机电控制方程,利用机电解耦方法推导了系统响应的解析解,讨论了负载电阻、风速对系统固有频率及机电阻尼的影响,分析了负载电阻、加速度及风速对系统发电性能的影响,验证了理论模型的正确性。结果表明,与基础激励相比,混合激励不但增大系统的能量收集功率,而且可在更宽的频带区间内收集能量。     

随动压电磁耦合能量采集器的组合共振分析

压电磁耦合能量采集器能够实现较宽频带振动能量转化,但输出功率受激励方向影响较大,为使能量采集器实时获取较大机械能,设计了一种利用摆锤惯性力实时调整压电悬臂梁和磁铁相对位置的新型能量采集装置,通过对其运动特性分析,利用能量法建立了系统的动力学模型,并应用多尺度法和数值计算方法对系统进行求解,分析了外加激励作用下系统的组合共振特性,讨论了外加激励幅值、磁铁间距、摆臂长度、悬臂梁长度和宽度对有效采集频带宽度和输出电压的影响规律。结果表明：摆臂能够使系统在较大加速度激励下获取较高的机械振动幅值,并有效拓展能量采集频带;同时改变磁铁间距、摆臂长度和悬臂梁结构参数可有效提升能量采集性能。     

预应力式压电能量采集器的模型和试验分析EI北大核心CSCD

为提高振动能量的采集效率,设计了一种基于预应力梁的压电能量采集器。基于欧拉-伯努利梁理论,建立了基础激励条件下含预应力压电陶瓷悬臂梁的动力学模型,并利用数值仿真的方法对其输出功率、电压等性能进行分析。最后搭建了试验平台对上述预应力能量采集器的样品进试验测试,对其输出电压、输出功率和自由端位移与预应力大小关系进行分析和研究。试验结果显示在相同条件下,5.9 N轴向预拉力作用下的压电能量采集器的开路电压比无预应力条件下提高了11.6 V。对相同容量的电容的充电试验结果表明,含5.9 N轴向预拉力的压电能量采集的平均充电电压比无预应力情况下提高了1.55 V。数值仿真和试验结果均显示含预应力的PEH的能量采集效率得到明显提高。     

高体积优值系数振动能量采集器的设计与性能测试

小尺寸振动能量采集器通常难以高效采集低频振动能量。为提高能量采集效率,设计了一种高体积优值系数磁电式能量采集器。采用集总参数等效磁路模型对其换能系统的部分结构参数进行了优化,以提高感应线圈运动区域中运动方向上的磁链梯度,通过有限元分析验证了解析模型和理论结果。最后分别制作了3台不同参数的样机进行实验。实验结果表明,振动激励频率22.5 Hz、加速度幅值为100 mg时,经过参数优化的振动能量采集器能够在匹配负载上输出0.748 mW的平均功率,相应的体积优值系数达到了1.11%,优于其他两台样机在各自共振状态下的0.31%和0.77%。研究表明,通过合理优化磁电换能系统磁路,能够提高能量采集器的体积优值系数,是低频振动能量采集器小型化的一种实现途径。     

谐振式压电叠堆的高效换能结构研究

压电叠堆具有纵向机电耦合系数高、耐疲劳性强的特点,但在低频振动条件下,压电叠堆的机电转换效率低,从而限制了其在结构振动能量收集方面的应用。通过将谐振频率接近结构振动频率的谐振器附加在压电叠堆表面形成谐振式压电换能系统,可以有效提高谐振频率附近的机电能量转换效率。本文对谐振式压电换能结构进行参数建模,以压电叠堆所受纵向力与结构激励力的比值衡量谐振式压电叠堆的换能效率,确定系统有效换能频带的宽度与系统的结构设计参数的关系,从而给出谐振式压电换能系统参数优化设计方法。谐振式压电换能结构的实验表明谐振器能有效增加较低振动频率下的机电能量转换效率,提高输出的开路电压     

周期荷载作用下拱式振动能量采集器的压电分析

能源需求的不断增加以及环境问题的日益凸显迫使人们在环境中寻求清洁能源。该文提出了一种新型拱式能量采集器,能有效利用波浪的振动能量。从拱式振动能量采集器的工作原理分析能量采集的可行性,采用Comsol建立了拱式能量采集器的有限元计算模型,分析周期荷载作用幅值、激励频率、负载电阻、压电片位置和基础层材料等参数对能量采集器压电性能的影响,确定采集器的最优设计参数。     

振动式压电发电机的理论模型与实验

为了预测振动式压电发电机的谐振频率和输出功率等参数，Roundy等以悬臂梁末端挠度为自由度，建立了发电机的理论模型，但该模型忽略了质量块中心挠度与悬臂梁末端挠度的差异，在质量块长度较大时有较大误差．为了扩大适用范围，在考虑质量块中心挠度与悬臂梁末端挠度的差异基础上，分别将发电机结构简化为单自由度和二自由度系统，建立了悬臂梁式压电发电机的两个理论模型，其中的单自由度模型以质量块质心挠度为自由度，二自由度模型同时以质量块质心挠度和质量块转角为自由度．为了对模型进行验证，制作了压电发电机并进行了实验．实验结果表明，这两个新模型比Roundv模型的精度更高．