弹性振幅放大器对参数激励压电俘能器的影响

该文提出在参数激励压电俘能器中增设弹性振幅放大器。利用扩展哈密顿原理,建立了系统的动力学方程,通过数值仿真,研究了弹性振幅放大器及其刚度系数对俘能器性能的影响。研究结果表明,当压电梁未发生屈曲,且压电梁的固有频率与弹性振幅放大器固有频率比满足1∶2共振条件时,能够降低参数激励俘能器的激励阈值,并拓宽俘能器的频率带宽。此时的刚度系数称为共振刚度系数k_sr。研究表明,当弹性振幅放大器的刚度系数小于k_sr时,俘能器的平均输出功率、均方根电压峰值及频率带宽均随着刚度系数的增加而增加;当弹性振幅放大器的刚度系数大于k_sr时,随着刚度系数的增加,俘能器的频率带宽增大,均方根电压峰值略减小,而平均输出功率在激励幅值较大时趋于相同。     

一种质量块 弹簧自参数共振压电俘能器研究

该文提出了一种在压电梁与末端质量块之间加装一个弹簧的二自由度压电俘能器。利用扩展哈密顿原理建立了俘能器的机电耦合方程。仿真结果表明,当压电梁不屈曲时,压电梁子系统与质量块 弹簧子系统之间的运动相互影响,弹簧刚度、质量块的质量对俘能器的俘能性能有重要影响。当质量块 弹簧子系统的固有频率为压电梁子系统的固有频率2倍时,系统为自参数共振系统,此时的激励阈值为最小,且俘能带宽也会增大。     

磁力调控驰振压电-电磁复合俘能器设计与研究

为避免驰振俘能器高流速下PZT损坏,使其能在复杂工作环境中具有稳定的输出特性,该文提出了一种利用磁力控制悬臂梁振动幅值的压电-电磁复合俘能器(GPEEH)。引入的非线性磁力可以调控钝体的振幅,提高驰振压电俘能器(PEH)的输出稳定性,改善其对高风速环境的适应性,且能够增加复合俘能器的输出电压。在搭建风洞实验平台和制作实验样机的基础上,研究不同负载电阻、风速、关键结构参数d₀和d₁对俘能器输出特性的影响规律。实验结果表明,当PEH钝体的振幅被磁力限制在一定区间时,钝体的振动频率和速度随着风速的升高而逐渐增加。风速为11.5 m/s时,PEH振动主频率(6.3 Hz)是风速为8.4 m/s时PEH振动主频率(4.3 Hz)的1.4倍。当风速为12 m/s, GPEEH的输出功率为6.18 mW,相较于单一驰振压电俘能器的输出功率提高了47%。其中当风速达到10.5 m/s时,PEH和电磁俘能器(EEH)的输出功率均趋于稳定。     

压电-电磁复合式俘能器的设计与实验研究

针对现有压电、电磁俘能器不能同时输出大电压和大电流,设计了一种压电-电磁复合式俘能器。根据设计的复合式俘能器结构进行了理论建模,推导出了电压、电流、振幅和输出功率的表达式,并利用Ansys和Ansoft仿真软件对复合式俘能器的输出特性进行了仿真分析。最后通过实验对比分析了压电、电磁与压电-电磁复合式俘能器的输出特性,分析得到在0.6 g(g=10m/s2)加速度作用下,压电-电磁复合式俘能器的最优输出功率比电磁、压电俘能器分别提高了118%、38%,同时3dB带宽可增大67%、25%。     

双端磁耦合式压电振动俘能器结构设计

现有的非线性压电俘能器的输出功率提升主要通过改变俘能器的结构或引入非线性元素,但这些方法在提高俘能结构的输出功率,拓宽俘能器的俘能频带方面能力受限。该文设计了一种双端磁耦合式悬臂梁结构压电俘能结构,在利用永磁体引入非线性元素的基础上优化俘能结构,进一步提高系统的输出电压,拓宽俘能频带。通过将悬臂梁俘能结构等效为复杂边界条件的悬臂梁,推导磁耦合式悬臂梁结构的工作状态方程,并得到磁耦合式悬臂梁俘能结构的输出电压与永磁铁间距的关系,并通过实验测试进行验证。结果表明,在永磁体间距为5mm时,压电俘能结构获得最大的输出功率,在最佳的永磁铁间距和负载电阻下,双端压电磁耦合式悬臂梁的输出功率可达传统悬臂梁式压电俘能结构的1.5倍,谐振频率下降约7Hz。     

不锈钢基压电厚膜俘能器的制作与性能测试

由于硅基底断裂韧性低及压电厚膜有利于提高俘能器输出功率,因此,该文提出在304不锈钢基底上制备PZT压电厚膜俘能器。304不锈钢薄片既作为基底又作为下电极,金属Pt/Ti结构作为上电极。不锈钢基底厚为30μm,采用电流体驱动雾化沉积制备5μm厚的压电材料,通过对压电材料XRD表征,得到了在(110)晶向择优取向的钙钛矿结构。设计了长20mm、宽5mm压电悬臂梁结构俘能器。实验表明,压电俘能器的谐振频率为81Hz,当加速度为0.69 g(g=9.8m/s2)时,输出开路电压峰-峰值为1.3V;负载电阻为260kΩ时,输出功率最大(为0.758μW),对应的功率密度为3.19mW·cm-3·g-2。     

非线性压电-电磁复合式俘能器的结构设计

非线性技术可使压电式能量采集获得较宽的振动频率和较高的输出电压,该文基于非线性振动研究提出了一种新型的非线性压电-电磁复合式俘能器,将非线性压电-电磁复合式俘能系统等效为含有非线性刚度的质量-弹簧-阻尼振动系统,推导出俘能器的总输出平均功率公式。在0.6g简谐激励下,磁铁间距为2.5 mm,3mm,4mm时,对非线性压电-电磁复合式俘能器进行了实验测试,结果表明,随着磁铁间距的减小,引力增大,非线性俘能器的谐振频率降低,3dB带宽升高。     

收集人体动能的压电俘能器研究

提出了一种基于压电效应的人体动能转换装置(压电俘能器),并对其发电能力进行了理论和试验分析。结果表明,在一定变形范围内,压电俘能器的输出电能随着激励力的增加而增大;当激励频率和压电俘能器结构尺寸确定时,压电俘能器的输出功率随着负载电阻的变化而变化,且存在最佳的负载使其输出功率达到最大值,最大输出功率是压电俘能器开路时电压和电容的函数,最大输出功率与外接滤波电容无关。在2Hz(行走频率)激振频率下,压电俘能器最大输出功率为0.31mW。     

鼓形俘能器的有限元分析

以压电方程和弹性材料的本构方程为基础,建立了鼓形俘能器机电耦合有限元模型.采用有限元分析软件对鼓形俘能器进行仿真分析,并得出鼓形俘能器结构参数的变化对其性能的影响.仿真结果表明,为了提高俘能器的俘能性能,在符合加工工艺要求和其他特性的前提下,应尽量增大鼓形俘能器钢环内径,限制压电陶瓷 (PZT)的直径和厚度,而钢环厚度对其性能影响较小.在此基础上研制了鼓形俘能器,并进行了实验研究,实验结果与仿真结果基本吻合.     

压电俘能器阻抗匹配分析及实验研究

为了研究负载电阻对压电悬臂梁振动俘能性能的影响,使用有限元法对直接与负载相连的悬臂梁压电振子进行压电-电路耦合分析,得到了负载电阻对压电俘能器谐振频率、输出电压和功率的影响关系,并进行实验验证.研究结果表明,随着外接负载电阻的增大,俘能器谐振频率有所增加,从短路谐振频率到开路谐振频率变化范围可达到2 Hz.此外,负载阻值的大小也会影响俘能器的发电能力,负载电阻越大,输出电压越高,但存在匹配电阻使压电俘能器的输出功率达到最大.因此,通过合理选用负载电阻可实现固有频率微调谐和增加发电能力的目的.     

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。     

悬臂梁基底对压电俘能器输出响应的影响分析

悬臂梁的材料与结构对压电俘能器的输出响应具有重要影响。为了 研究在1.5~5.8 m/s低风速环境下不同基底材料对接触式压电俘能器的影响,该文选择聚氯乙烯（PVC）、304不锈钢、1060铝和H68黄铜材料为基底的柔性聚偏氟乙烯（PVDF）压电悬臂梁结构,并进行了对比实验与分析。结果表明,以304不锈钢为基底的悬臂梁结构输出功率最大。通过计算不同基底材料梁的结构参数发现,在低风速工况下,梁的结构刚度与减幅因数是影响压电俘能器输出性能的主要因素。同等工况下,梁的结构刚度越小,接触式压电俘能器的启动风速越低,风致振动的激振力频率越高;减幅因数越小,悬臂梁的输出功率越大。     

非线性压电耦合对L型梁俘能器性能的影响

以二自由度的L型梁双稳态压电俘能器为研究对象,研究了非线性压电耦合关系中的一、二次非线性系数对俘能器输出功率和主梁运动的影响。通过对无量纲动力学方程的数值进行了仿真分析,结果表明,当激励幅值较大时,非线性压电耦合对俘能器输出功率和主梁运动有明显的影响;非线性压电耦合系数越大,输出功率越大,而俘能器的振动位移越小。非线性压电耦合的一次非线性系数取正值时,俘能器的响应优于线性耦合时的俘能器响应,取负值,则反之;而无论二次非线性系数取何值,非线性耦合时俘能器的响应都优于线性耦合时俘能器的响应。     

双端固支式压电俘能器的特性研究

设计了基于矩形梁和梯形梁两种结构的双端固支式压电俘能器,其较传统的悬臂梁式压电俘能器,具有更高的压电材料利用率,且应变分布更均匀,输出功率更高。针对这两种结构建立了理论模型并进行了分析。结果表明双端固支梯形梁应变更均匀。另外,针对这两种结构设计了对比试验,测量了输出电压及输出功率。这两种结构均可通过串联提高输出性能,与双端固支矩形梁相比,双端固支梯形梁的一阶固有频率降低,其串联输出电压较矩形梁提高22.9%,输出功率提高34.7%。     

基于压电材料的振动能量获取技术的研究

根据压电原理、力学理论及其电学等效模型,设计了能量收集电路,它由四倍压整流电路,3F超级电容器和微型电源管理芯片MAX1811组成。实验表明,电源管理芯片输出电压为4.17V时,PZT压电材料振动产生的电能,可通过该电路将电能储存于锂电池中。     

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...     

多向振动俘能器设计及能量收集实验研究

针对线性、单一的振动能量俘能器存在工作频带狭窄、只能采集单向振动等问题,该文提出了一种适应货运列车等多向振动应用场景的新型多向振动俘能装置,以增强对环境中振动能量的俘获。该装置结合压电和电磁俘能器,通过螺旋圆柱弹簧和顶端质量有效捕获多向振动,并通过磁力传递振动能量至压电梁。合理设计了弹簧-质量结构,使其在较低的频率范围内可实现多种振动模态,拓宽了俘能器的谐振频带。为了充分利用压电材料,采用了变宽度压电悬臂梁,使应力均匀分布。压电梁自由端的永磁体随着压电梁的振动而产生变化的磁场,在线圈中产生感应电压。通过有限元分析和实验测试,验证了复合式俘能器可以采集多向振动能量,并测试了在z向振动激励下压电、电磁及复合式俘能器的最大输出功率。在频率9.5 Hz、z向振幅2 mm的正弦波激励下,复合式俘能器输出最大功率为3.276 mW。该系统在理论上可为低功耗传感器提供持续电力,为机械能收集与能量转换领域提供技术支持。     

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。     

In Vivo Self‐Powered Wireless Transmission Using Biocompatible Flexible Energy Harvesters

Additional surgeries for implantable biomedical devices are inevitable to replace discharged batteries, but repeated surgeries can be a risk to patients, causing bleeding, inflammation, and infection. Therefore, developing self‐powered implantable devices is essential to reduce the patient's physical/psychological pain and financial burden. Although wireless communication plays a critical role in implantable biomedical devices that contain the function of data transmitting, it has never been integrated with in vivo piezoelectric self‐powered system due to its high‐level power consumption (microwatt‐scale). Here, wireless communication, which is essential for a ubiquitous healthcare system, is successfully driven with in vivo energy harvesting enabled by high‐performance single‐crystalline (1 ? x )Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃?(x )Pb(Zr,Ti)O₃ (PMN‐PZT). The PMN‐PZT energy harvester generates an open‐circuit voltage of 17.8 V and a short‐circuit current of 1.74 µA from porcine heartbeats, which are greater by a factor of 4.45 and 17.5 than those of previously reported in vivo piezoelectric energy harvesting. The energy harvester exhibits excellent biocompatibility, which implies the possibility for applying the device to biomedical applications.