基于神经网络的压电能量收集器性能预估模型

设计了一款双稳态聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride,简称PVDF）梁压电振动能量收集器,并介绍了该款收集器结构特点和工作原理。为了解决传统理论模型预测与能量收集器实际输出性能的偏差,利用人工神经网络对其结构参数、激励频率和收集电能之间的非线性关系进行建模。基于误差反向传播训练的多层前馈网络建立了双稳态PVDF梁压电能量收集器的人工神经网络模型。以质量块质量、PVDF压电梁的压缩距离以及外激振力频率作为输入变量,收集器输出电压均方根（root mean square,简称RMS）值作为输出变量,采集了不同条件下压电能量收集器的实验数据。通过将仿真预测结果与实验结果对比,验证了所设计的人工神经网络能有效地预测压电能量收集器的输出特性,且无需复杂的收集器理论建模。     

基于PVDF压电传感器的高压输电塔健康监测研究

针对高压输电塔的健康监测问题,该文设计了一种聚偏氟乙烯薄膜(PVDF)压电传感器,可检测高压输电塔的固有频率,将测得的固有频率与健康时的固有频率对比,分辨出高压输电塔是否受到了损伤。测试结果显示,该PVDF压电传感器表现优良,可以用于实际的信息采集。     

非线性宽频压电振动能量采集器的研究

为改善双稳态压电振动能量采集器在基础低幅值激励条件下的输出性能,提出了一种带有线性放大器的非线性宽频压电振动能量采集器,通过线性放大器对基础低幅值激励进行一级放大后,激发双稳态压电振动能量采集器进入高能轨道的大幅值周期振动,从而提高能量采集器的输出性能。根据力学和电学平衡方法建立了非线性宽频压电振动能量采集器的两自由度集总参数模型和运动微分方程,并对系统模型进行时域和频域求解,仿真分析了系统质量比、刚度比等参数对系统输出特性(振动位移、速度、相图和输出电压等)的影响。最后,通过与双稳态压电振动能量采集器输出性能的实验结果对比分析,表明非线性宽频压电振动能量采集器在较小的激励幅值作用下具有更高的输出特性和更宽的工作频带。     

基于PVDF的新型高速公路压电动态称重传感器

针对高速公路车辆超载严重的问题,提出了一种以压电薄膜聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride,简称PVDF)为敏感元件的新型高速公路压电动态称重传感器.分析了该新型传感器的工作原理,采用有限元分析软件ANSYS建立了传感器的机-电耦合模型,模拟得出了单片PVDF、双片PVDF串/并联情况下产生的电荷量.针对该传感器设计了一种简单调理电路,使PVDF的高阻抗输出变为低阻抗输出,并对所采集的电信号进行有效的放大.为验证该压电传感器方案设计的可行性,进行了室内试验和小型乘用车现场动态实测.试验结果表明,压电传感器具有较高的灵敏度,可以对车重进行实时检测和数据分析.     

宽频压电振动能量采集器的实验研究

为改善线性单频谐振式压电振动能量采集器的输出性能,研制了双自由度宽频压电振动能量采集器样机模型,搭建了样机实验测试平台,研究了系统刚度比和负载电阻等参数对能量采集器输出性能的影响。通过调节系统刚度比,不仅可以拓宽压电振动能量采集器的工作率带,还提高了压电振动能量采集器的输出电压和输出功率。结果表明:在基础振动加速度为40m/s~2和负载电阻为471kΩ条件下,双自由度宽频压电能量采集器的工作频带是单频系统的7倍,最大输出功率是单频系统的4.5倍。     

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。     

基于分层理论的层合板结构声辐射模态传感器设计

在低频时控制振动板结构的声辐射模态幅值是降低结构辐射声功率的一种有效策略。提出一种阵列式压电式传感器的设计方法测量复合材料层合板结构声辐射模态幅值。通过聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)传感器阵列输出信号设计加权系数,使PVDF传感器阵列输出信号为所需结构声辐射模态幅值。加权系数取决于复合材料层合板结构振动模态表达式。由于复合材料层合板结构复杂动力学特性,通过分层理论结合有限元法得到离散结构模态值,并对有限元离散结构模态进行最小二乘法的曲线拟合,从而得到层合板结构振动模态表达式。数值结果表明该方法计算层合板结构模态以及PVDF声辐射模态传感器设计是可行的。对试验数据进行分析比较。     

三稳态压电能量采集器的动态特性与实验

为了探究三稳态压电振动能量采集器的动力学特性,以磁-机-压电耦合型三稳态压电振动能量采集器(tristable piezoelectric vibration energy harvester,简称TPVEH)为研究对象,利用磁荷法、力平衡和基尔霍夫定律分别建立了采集器末端磁铁与外部磁铁之间的非线性磁力模型和系统集总参数动力学模型。仿真分析了磁铁间距、激励加速度幅值和频率等参数对采集器动力学特性和采集电压的影响。研制了三稳态压电振动能量采集器原理样机,搭建了实验测试平台,实验验证了仿真结果的正确性。研究结果表明,随着激励加速度幅值增大,能量采集器依次经历单稳态、双稳态和三稳态3种运动状态,且三稳态运动时的工作频带和输出性能(位移、速度和采集电压)比双稳态和单稳态时要高。     

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。     

基于聚偏氟乙烯的扫描探针显微镜系统

采用聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜和压电陶瓷(PZT),并结合由电化学研磨得到的钨探针,研制了一种具有对称结构的新型轻敲模式扫描测头。在该测头中,PVDF压电薄膜作为振动梁,其下方中间位置固定有钨探针,在PZT的驱动下,PVDF和探针处于谐振振动状态,同时,PVDF作为微力传感器检测探针顶端原子与试样表面原子间的作用力。所构建测头结合三维纳米定位台、控制程序等构成了新型扫描探针显微镜系统。介绍了测头的构成、工作原理、特性以及SPM系统的整体结构、测量原理、三维工作台的定位控制、信号处理过程和整系统特性测试,并以一维标准光栅为试样进行三维图像扫描,证明了该新型扫描探针显微镜系统的可行性和有效性。     

扭摆式多方向压电振动俘能器的研究

为实现多方向振动能量回收,提出了一种扭摆式多方向压电振动俘能器,并从有限元仿真与试验两方面对其输出电压特性进行研究,获得了不同激励角(激励方向与X轴在XOY面内的夹角为激励角)时的谐振频率及其所对应幅值的变化规律。研究结果表明,激励角变化对两阶谐振频率影响均较小,但对输出电压的影响较大且影响规律不同;激励角从0°增加到90°时,一阶谐振电压减小、二阶谐振电压增大,激励角为44°时两阶谐振电压相等。在此基础上,进行了电容充电特性及输出功率特性的试验研究。沿X轴和Y轴方向激励时,电容的存储能速度分别达0.58 mJ/s和0.54 mJ/s;沿X轴和Y轴方向激励时,均存在两个最佳电阻使输出功率最大,即沿X轴方向激励时的最佳负载和最大功率分别为(17,81) kΩ和(4.56,3.4) mW,沿Y轴方向激励时的最佳负载和最大功率分别为(17,61) kΩ和(3.96,3.89) mW。     

气体耦合式宽带/低频压电振动俘能器

为实现低频/宽频带/高强度振动能量回收及基于能量回收的主动振动控制,提出了一种气体耦合式振动俘能器。介绍了俘能器的系统构成原理,对其能量回收特性进行了理论与试验研究。理论分析结果表明,俘能器的发电能力及特性是由环境振动强度、气缸/压电振子的结构与性能参数、系统质量/背压等多种要素共同决定的;其它条件确定时,存在使电压最大的最佳频率以及使俘能器工作与否的最低临界频率;增加背压/质量可不同程度地提高俘能器的输出电压和有效带宽、降低临界频率,但对最佳频率无明显影响。采用Ф60×0.9mm3双晶压电振子及Ф16×100mm3气缸制作了样机,测试了不同背压及质量时俘能器的电压-频率特性。结果表明,俘能器最佳/临界频率、最大输出电压及有效带宽等与背压/质量关系均与理论分析结果相吻合。不同条件下所测得的最佳频率均为55Hz左右;背压0.4 MPa、质量10kg时所获得临界频率/最大输出电压/对应25V输出电压有效带宽为9Hz/88V/72Hz,分别为质量2.5kg时的0.36倍、2倍和2.2倍。     

压电振动电阻尼与能量转换特性研究

根据压电构造方程和振动原理,建立压电振动能量收集的耦合场动力学模型。详细推导电阻尼与外接电阻和机电耦合系数之间的数学关系,并揭示外接电阻对系统固有弹性的作用效果。通过数值模拟研究电阻尼特性对谐振频率、振动幅值和功率的影响关系,并从能量转换效率的角度分析优化电阻与最大输出功率的关系。分别对多种外接电阻条件下压电梁的输出电压及功率进行实验测试,实验结果表明,电阻尼导致压电梁的谐振频率发生偏移,其大小与外接电阻值成正比,而且在外接优化电阻时输出功率最大。     

压电阵列双相能量收集器的有限元分析模型

文中基于压电阵列双相能量收集器的压电效应和磁–力–电耦合效应,提出了一种宽频的能量收集结构.该结构可同时俘获环境中广泛存在的机械振动和磁场能量,从而实现低功耗电子设备的自供电.利用有限元软件COMSOL建立了压电阵列双相能量收集器的几何模型并进行数值仿真,分析了不同载荷以及组份材料参数对俘能器性能的影响.研究结果表明,...     

基于压电陶瓷的振动能量捕获技术现状及展望

分析了压电式振动能量捕获原理;针对提高振动能量捕获量和捕获效率这两个目标,对当前国内外在新型压电材料、压电振子性能研究与结构配置及高效电路等方面所作的研究进行了详细论述;指出向微能源器件、集成自供电系统发展和从旋转机械中捕获能量是压电陶瓷振动能量捕获技术的研究前景。     

振动俘能技术在可穿戴领域的应用

能源问题日渐严峻,发展环保、便捷、可持续的能源技术是当务之急。相较于太阳能、热梯度、射频等环境能量,振动能量在人体运动及周围环境中具有广泛存在性,振动俘能技术也因此越来越受到人们的广泛关注。当前,可穿戴设备的发展受续航能力限制,而传统电池存在着较多弊端与风险,收集人体运动的能量来为可穿戴电子设备供电也成为当前研究的热点。简要介绍电磁、静电、压电、摩擦电振动能量收集器的基本工作原理,并详细综述它们在可穿戴/可植入领域的研究进展,以及在人体各部位振动俘能的应用案例,对比阐述不同俘能机理的特点,最后对四种振动能量收集器在可穿戴领域所面临的输出性能、长期稳定性、穿戴舒适性等挑战进行总结并由此展望了其未来的发展趋势。     

限幅激励式压电发电机性能分析与试验

为提高旋转式压电发电机的可靠性及有效带宽,提出一种限幅激励式压电发电机,利用凸轮激励压电振子使其发生幅值可控的单向变形。从理论和试验两方面研究凸轮升程与升角、激振力及弹簧刚度等对发电机输出性能的影响规律。研究结果表明,利用移动凸轮限幅激励压电振子可获得无明显峰值、较平坦的电压幅频特性曲线;其他条件相同时,降低凸轮升程有助于降低最大输出电压、拓宽有效转速带宽,凸轮升角(30°~45°)增加对最大输出电压无影响、但可拓宽有效转速带宽,增加激振力可拓宽某一输出电压所对应的有效带宽,复位和缓冲弹簧刚度对有效转速带宽及转速值都有一定的影响,当复位弹簧刚度50 N/m、缓冲弹簧刚度20 N/m、激励距离8 mm、凸轮升程2 mm、升角为40°时,输出电压大于30 V所对应的有效转速范围为0~537.6 r/min,故通过合理匹配系统参数可有效提高发电机的可靠性及有效带宽;存在最佳电阻使发电机输出功率达到最大值,最佳电阻70 kΩ、转速392 r/min时的输出功率为10.88 mW。     

压电能量俘获结构及其升频转换技术的发展现状

压电材料作为一种良好的机电换能元件,具有体积小、成本低、工作性能可靠等优势,但如何设计压电振子高效地俘获环境振动能,仍是本领域的关键技术难题。以定频式、调频式和宽频式三类典型压电振子为代表的结构共振频率匹配设计能部分解决上述难题,但面向环境低频、超低频振动能俘获,上述振子仍面临输出功率低、可靠性差等问题,途径之一是通过机械式升频转换技术将低频激励转换成压电振子的高频振荡,同时突破超低频压电元件功率密度低的限制。几类机械式升频转换技术被区分并简要介绍,重点阐述一种借助非线性系统内共振现象实现的机械升频转换方法。内共振升频技术具有激励加速度阈值低、升频转化能量损失少等优势,进一步拓宽压电振子领域内的机械式升频转换研究。