一种宽频压电振动能量采集器的解析模型与试验研究

为提高单频压电振动能量采集器的能量转换效率和工作频带,以带有弹性放大器的宽频压电悬臂梁振动能量采集器为研究对象,提出一种改进的集总参数机电耦合解析模型,通过引入参数修正因子和考虑悬臂梁的振型信息,利用能量守恒原理和曲线拟合方法确定解析模型的等效参数,并根据力学、电学平衡原理建立系统的运动控制方程、频率特性方程和电功率输出表达式;仿真分析能量采集器质量比、刚度比、阻尼比以及负载电阻等对系统振动特性、电输出特性及负载特性的影响;研制宽频压电悬臂梁振动能量采集器原理样机,搭建试验系统,对解析模型进行验证。结果表明:增大弹性放大器与压电悬臂梁的刚度比和质量比以及减小弹性放大器与压电悬臂梁的阻尼比可以提高能量采集器的转换效率和工作频带。     

宽频压电振动能量采集器的分布参数模型与实验

为解决无线传感网络节点自供电问题,提出了一种带有弹性支撑与放大的宽频压电振动能量采集器。利用Hamilton原理和Raleigh-Ritz方法,并考虑悬臂梁末端质量块的影响,建立了压电能量采集器的分布参数机电耦合模型;数值分析了能量采集器质量比、刚度比和阻尼比等参数对系统振动特性、输出特性的影响;研制了实验原理样机,搭建了实验测试平台,验证了数学模型的正确性。研究结果表明,分布参数模型比集总参数模型具有更高的预测精度。     

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。     

微型压电振动能量采集器的研究进展

微型压电振动能量采集器具有结构简单、能量密度高、寿命长等优点,使其在无线传感器网络自供电方面具有较广阔的应用前景。着重介绍压电振动能量采集器的关键技术及围绕其关键技术国内外在压电振动能量采集器方面的研究现状和最新进展,以及未来的发展趋势。     

蒲公英状压电振动能量收集装置宽频带设计

研究了蒲公英状压电振动能量收集装置的宽频带设计,以解决环境振源振动频率多变的问题。建立了蒲公英状压电振动能量收集装置谐振频率的理论模型并进行了数值模拟,结果表明,该能量收集装置的谐振频率并不是可以任意拓展的。为验证理论分析的正确性,进行了蒲公英状压电振动能量收集装置的频率响应实验,得到的实验结果与理论分析基本吻合,说明了本文理论分析的可靠性。最后对宽频带的蒲公英状压电振动能量收集装置进行了发电性能测试实验,结果表明,通过对蒲公英状压电振动能量收集装置的宽频带设计,其在20~34Hz有较大的功率输出,且最大输出功率达到了约2.3mW。本文的设计有效地拓宽了该装置的谐振频率范围,易于实现与环境振源的匹配而获得较高的能量收集能力。     

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200Hz）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10.98Hz和44.52Hz两个超低频率的电压峰值（分别为3.18V/g和1.33V/g）,使系统工作频率降得更低,50Hz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。     

MEMS复合式振动能量采集器

介绍了一种结合了压电式能量采集与静电式能量采集原理的复合式振动能量采集器。其结构通过有限元分析软件的优化设计,得到了期望的低频共振频率。为了预测这个复合式振动能量采集器的性能,建立了解析模型,在此基础上使用MATLAB/SIMULINK进行了数值模拟。模拟结果显示,在某些特定的频率范围内,这种复合式振动能量采集器能够提供比其他两种能量采集器更高的输出功率。对于固有频率为282Hz的器件结构,仿真发现复合式设计的输出功率可达4.85μW,两倍于电容式设计的输出功率2.11μW。     

压电阵列径向分布的二维振动能量采集器

为了有效采集多个方向的振动能量,本文提出了一种圆柱形的压电阵列径向分布的二维(2D)振动能量采集器。通过将柔性弧形压电阵列径向分布在圆柱体上,该采集器可以收集到二维(2D)平面内任意方向的振动能量。同时,引入了角度带宽来描述采集器获取二维振动能量的能力。实验结果表明:这种新型结构采集器的角度带宽接近180°;而且,通过把对称位置的聚偏二氟乙烯(PVDF)压电元件进行反向串联,采集器的最大输出电压可以达到11.6V;当把对称位置的聚偏二氟乙烯(PVDF)压电元件反向并联时,最大输出功率达到13.5μW。与传统的悬臂式压电振动能量采集器相比,该二维(2D)采集器具有更好的多方向振动能量采集性能。     

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。     

悬臂梁式压电振动能采集器的建模及实验验证

为了根据环境振动和电学负载的特点对悬臂梁式微型压电振动能采集器进行优化,本文考虑质量块质心与悬臂梁末端的位置差异,建立了在基础激励作用下采集器的运动微分方程和边界条件.通过引入常数,建立了对单压电层、双压电层并联和双压电层串联的3个悬臂梁式微型压电振动能采集器均适用的耦合电路方程,得到了采集器固有频率和振型的表达式,推...     

双磁耦合式压电振动俘能器的性能分析与试验

为满足远程监测系统的自供电需求,针对现有压电振动俘能器存在的问题,提出一种双磁耦合式压电振动俘能器,通过将压电振子对称安装于辅助悬臂梁两侧构成组合换能器,使压电片在俘能过程中主要受压应力。经建模仿真,获得了定磁铁间距与水平耦合间距对系统势能的影响规律,以及不同激励条件下的系统动力学响应特性。为验证俘能器原理的可行性与仿真结果的正确性,制作了样机并测试了不同条件下俘能器的输出特性。结果表明：激励频率对俘能器输出波形影响较大;选取适当的定磁铁间距和水平耦合间距(11 mm≤d≤12 mm,10 mm≤l≤16 mm),可有效降低俘能器固有频率、拓宽频带且幅频特性曲线较为平坦,进而提高了俘能器的环境适应性和可靠性;激励频率为12 Hz、16 Hz及20 Hz时,试验所获得的最大输出功率分别为1.27 mW、2.88 mW及5.31 mW,其所对应的最佳匹配电阻约为70 kΩ。     

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0.4MPa、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。     

非线性压电式能量采集器

由于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,本文基于非线性振动研究了一种压电式能量采集器。基于Duffing模型测试得到了非线性压电能量采集器的振动方程,对其振动特性进行了仿真测试。在不同永磁体间距的条件下,测试了非线性压电式能量采集器的开路输出电压,结果表明,当激振台加速度为20m/s²时,该非线性压电式能量采集器的最大输出电压从线性系统输出时的131V提高到208V,最大输出功率为43.264mW,主共振频率变化范围达到18Hz。该Duffing模型的结构可以在小范围内改变非线性压电式能量采集器的共振频率,同时提高其输出电压。     

可变形式翼型钝体的风致振压电俘能器

针对现有风致振压电俘能器工作风速范围窄、高风速下振幅过大等问题,提出一种可变形式翼型钝体的风致振压电俘能器,主要由可变形式翼型钝体、悬臂梁以及压电组合梁构成,钝体的弹性翼受风力影响产生形变,从而实现系统振动特性的自我调节,以期提高俘能器的环境适应性。建立了俘能器的COMSOL有限元模型,通过仿真与试验分析了风速对其钝体形状及振动特性的影响,并获得了迎风角和弹性翼厚对俘能器输出性能的影响规律。结果表明：选取迎风角120°和弹性翼厚0.15 mm时俘能器的工作风速范围达到21 m/s,且当风速小于8 m/s时,弹性翼变形较小,系统以驰振为主,输出电压随风速增加而增大;当风速在8～17 m/s时,弹性翼形变量进一步增大,系统由驰振逐渐向涡振转变,输出电压变化较小;当风速在17～25 m/s时,钝体因弹性翼变形过大呈弯弧状,系统以涡振为主,其振幅被有效控制,输出电压随风速增加而减小;存在匹配电阻为250 kΩ时俘能器所产生的最大输出功率为3.78 mW。因此,该风致振压电俘能器在满足结构可靠、起振风速低及风速范围宽条件下同时可输出较大的电能。