悬臂梁单晶压电振子发电的理论建模与仿真

为了解决电池为低功耗电子产品供能存在的诸多问题,对悬臂梁单晶压电振子的发电能力进行了研究.根据压电理论和热平衡原理,建立悬臂型单晶压电振子发电能力的数学模型,并对金属基板材料、基板厚度与压电片厚度对压电梁发电能力的影响进行了数值模拟与有限元仿真分析.研究结果表明,建立的数学模型与有限元仿真分析结果一致,压电片与基板材料存在一个最佳厚度比使得压电振子的输出电压达到最优,且最佳厚度比随着基板材料弹性模量的增大而增大,当基板材料分别为铝、磷青铜、多晶硅和钢时,单晶压电振子所对应的最佳厚度比分别为0.4、0.5、0.55和0.65,最后对以磷青铜为基板材料的压电振子进行了实验测试.实验结果表明,当压电片与基板厚度比为0.5时,压电振子输出功率最大,验证了理论分析的正确性.     

车载压电悬臂梁结构参数对其发电量的影响

为了研究车载环境下压电悬臂梁的结构参数变化对压电振子发电量的影响,根据压电方程建立了压电悬臂梁的等效模型,仿真分析了各结构参数对悬臂梁压电装置的固有频率和输出电压的影响规律。研究结果表明,适当增大悬臂梁自由端质量块的质量和悬臂梁的长度,减少悬臂梁的宽度和中间金属层的厚度,可使压电悬臂梁的固有频率降低,接近环境振动频率,从而使输出电压增加,提高压电装置的发电能力。     

悬臂式压电振子宽频发电装置设计及测试

为了提高压电材料的发电量和发电效率,设计了一种悬臂式压电振子宽频发电装置.首先,对单个压电振子进行电压输出和相频特性分析,得出影响电压输出的影响因素.然后,对双压电振子整流后串/并联进行电压输出特性分析,当两压电振子串/并联整流后,输出的电压为两个压电振子输出电压的较大值且频宽增大.最后,对4个压电振子进行发电实验测试.结果 表明,当输出电压为30 V时,单个压电振子的有效发电频宽约为10 Hz左右,经整流后串/并联的4个压电振子串联有效发电频率为44.5～121.3 Hz,宽度约为77 Hz,有效提高了发电频宽,该装置可应用在狭窄空间自适应供电.     

悬臂梁压电振子频率调谐和发电能力研究

研究了一种带末端质量块的悬臂梁压电振子的频率调谐能力。理论分析了悬臂梁压电振子的结构尺寸对压电振子谐振频率和发电能力的影响关系,并分别对长度调谐和质量调谐前后的压电振子发电能力进行实验测试和对比分析。结果表明,增加悬臂长度或末端质量可以降低压电振子的谐振频率,减少悬臂长度或末端质量可以提高压电振子的谐振频率,但为达到更好的发电效果,降频调谐时,应该采用质量调谐法提高压电振子的输出功率,而升频调谐时．应该采用长度调谐法提高压电振子的输出功率．     

涡激振动作用下压电悬臂梁俘能器的仿真分析

为了研究涡激振动作用下压电能量收集器与流体域之间的相互作用关系,基于ANSYS仿真软件,建立流-固-压电三场耦合模型,对置于圆柱钝体后一个圆柱直径位置处的压电悬臂梁在风场中的发电情况进行数值仿真分析。仿真结果表明,在卡门涡街的作用下,压电悬臂梁因两侧压力不同而发生振动,压电悬臂梁所发出的电压趋近于正弦信号,最大电压值为20V。同时,输出电压的相位与压电悬臂梁发生形变的相位一致,与涡街脱落的相位相差180°。该研究证明了仿真计算的可行性,为俘能器的设计提供了理论依据。     

耦合弯曲-剪切载荷L型压电振子的低宽频特性

针对传统的压电能量采集装置固有频率高、工作频率范围窄及能量转换率低的问题,基于Timoshenko梁理论提出耦合弯曲-剪切载荷的L型压电振子,研究基于L型压电振子的复合压电结构的能量采集特性. 根据无线传感器的作业环境特点,研究L型悬臂梁的长度、宽度及延伸段长等因素对压电能量采集频率、输出电压峰值及能量转换效率的影响规律. 组合不同尺寸L型压电悬臂梁,研究设计回字形布局的阵列式复合振子. 经仿真分析与实验验证结果可知,在0~250 Hz低频环境下,能量采集频率为28~36 Hz、61~68 Hz、92~99 Hz以及103~111 Hz,较等尺寸传统阵列式压电复合振子覆盖频率平均提升了260%.     

两自由度宽频压电能量收集装置结构优化

利用ANSYS对两自由度压电振子进行仿真分析,探讨压电振子的形状对压电振子的谐振电压与带宽的影响,研究两自由度压电振子的长度、固定端宽度、自由端与固定端的宽度比、压电层与基层的厚度比以及质量块的厚度对两自由度压电振子的固有频率、谐振状态下产生的最大电压以及频带带宽的影响。通过对以上数据的分析比较对其结构进行优化,得到一个较为合理的尺寸。     

压电发电装置的功率分析与试验

为提高压电发电装置(能量转换系统)的输出功率,建立了简谐激励条件下两种能量转换电路(交、直流输出)功率计算模型,并进行了模拟分析及试验验证。理论研究结果表明,在压电振子开路电压(结构尺寸及激励频率)一定时,存在不同的最佳负载使交、直流输出电路获得最大的输出功率,交流输出的最佳负载及最大功率分别是直流输出最佳负载及最大功率的2/π和π/2倍。试验用压电振子尺寸为58mm×30mm×0.7mm,激励频率为44.3Hz时的开路电压为14.8V。交、直流输出电路所对应的最佳理论/试验负载分别为72/71kΩ和113/110kΩ,最大理论/试验功率分别为0.76/87mW和0.49/4.7mW。     

基于波纹梁的两自由度低频振动能量收集装置

为改善压电式振动能量收集装置固有频率高、能量收集效率低等问题,设计了一种基于波纹梁式压电振子的两自由度振动能量收集装置,并通过理论建模和数值仿真分析其能量收集特性。分析结果表明:与传统的单自由度和两自由度压电振子相比,含有波纹梁的压电振子的固有频率最低,且前五阶固有频率均为0~60Hz;其中,第四阶固有频率为45.92 Hz,比单自由度压电振子低419.9Hz,比传统两自由度压电振子低55.1Hz。同时,在相同条件下波纹梁式两自由度压电振子输出的电压最大,可达到28V。     

双晶压电悬臂梁电荷输出特性实验研究

通过研究压电材料的压电效应与压电方程组,得到正压电效应下的压电能量采集相关知识,并分析双晶压电悬臂梁的结构与特性,结合实验与仿真,得出并联型双晶压电悬臂梁的相关输出特性。     

Modeling and Analysis of a Random Excited Double-Clamped Piezoelectric Energy Harvester

A double-clamped piezoelectric energy harvester subjected to random excitation is presented, for which corresponding analytical model is established to predict its output characteristics. With the presented theoretical natural frequency and equivalent stiffness of vibrator, the closed-form expressions of mean power and voltage acquired from the double-clamped piezoelectric energy harvester under random excitation are derived. Finally theoretical analysis is conducted for the output performance of the double-clamped energy harvester with the change of spectrum density (SD) of acceleration, load resistance, piezoelectric coefficient and natural frequency value, which is found to closely agree with Monte Carlo simulation and experimental results.     

压电智能板热效应分析模型的建立与仿真

通过有限元分析方法研究了压电智能板结构的热效应问题。采用了包含4个位移节点、2个电势节点和8个温度节点的有限元模型,其位移场按壳单元模型描述,电势场和温度场则按线性插值方法描述。基于虚功原理导出了热机电有限元方程,分析了温度场的改变对压电智能板结构动力特性、动力响应和输出电压的影响。通过一悬臂智能板结构的数值仿真,反映出温度变化造成的物理参数值改变对位移响应和输出电压具有一定的影响;温度变化产生的热载荷对动力响应和输出电压具有非常大的影响,表明了在智能板结构响应分析中考虑热因素的重要性。     

压电微喷驱动振子振动的理论分析

压电驱动振子是由压电材料层和单晶硅层复合而成.以压电微喷驱动振子为研究对象,根据压电本构方程和弹性薄板弯曲理论,应用能量法对其进行了理论分析,建立了周边固支条件下压电驱动振子振动的理论模型,推导求解了驱动振子一阶固有频率及位移函数,MATLAB编程计算结果与ANSYS软件仿真结果误差为6.6%,表明了二者的一致性.分析了激励电压及压电驱动振子结构参数对轴向振动位移的影响,研究结果可为压电微喷液滴发生器的设计及控制提供理论依据.     

混合式三稳态压电能量俘获器动力性能分析

针对传统暴力行为识别算法精度不高和三维卷积神经网络参数多的问题,本文提出一种基于 3DSE-Densenet 网络的视频暴力行为识别改进算法。采用 3D Densenet 模型提取视频中的时空特征信息,SENet（Squeeze-and-Excitation Networks）按照时空特征的重要性程度进行加权处理,根据加权的时空特征识别视频中的暴力行为。实验结果表明,本文提出的 3D SE-Densenet 方法在 Hockey Fights Dataset 和 Movies Dataset 上识别准确率分别达到 99.1% 和 100%,可较准确地识别暴力行为,准确率高于传统方法。     

PLZT/PVDF层合柔性悬臂梁的驱动特性

为了实现光驱动柔性悬臂梁结构同时具备远程可控和快速驱动的特性,提出基于0-1极化的光电陶瓷PLZT与压电薄膜PVDF的光电/压电复合驱动柔性梁结构,研究该结构的驱动特性.在PLZT/PVDF复合驱动器数学模型的基础上,构建PLZT/PVDF层合柔性悬臂梁的数学模型.对PLZT/PVDF层合柔性悬臂梁驱动特性的影响因素进行理论分析,简化层合悬臂梁的挠度方程.通过实验对PLZT/PVDF层合柔性悬臂梁的数学模型进行参数识别,给出层合梁挠度幅值变化的理论曲线.实验显示,理论值与实验值的相对误差小于4%,表明利用所构建的PLZT/PVDF层合柔性悬臂梁数学模型能够较准确地反映层合柔性悬臂梁的驱动特性.结果表明,随着PVDF长度的增加,层合悬臂梁挠度幅值先增大后减小;层合悬臂梁挠度幅值随着PVDF厚度的增加而增大.     

压电式胎压报警器供电装置的发电特性

提出利用压电发电装置替代电池为胎压报警器提供实时电能。根据胎压报警器结构特点,提出将压电发电装置安装在车轮轮毂上,利用车轮转动中的振动来发电的方案。通过试验的方法研究了压电振子在轮毂上不同安装方式下的发电特性。试验结果表明,在既垂直于轮毂又垂直于车轮滚动方向的安装方式下,压电振子可以有效克服离心力的影响并吸收来自车轮所在平面多个方向的振动,压电发电装置发电效果较佳,适合为胎压报警器供电。利用4片45mm×15mm×0.2mm的悬臂梁型压电振子并联为胎压报警器供电,其产生的能量能够满足胎压报警器的工作要求。