面向负载功率的压电悬臂梁研究

基于电路负载阻抗匹配原理,为最大程度利用压电悬臂梁发电装置收集环境振动能量,保证压电悬臂梁外接负载能够正常工作,需要研究压电悬臂梁结构参数对其最佳输出功率以及相对应外接负载匹配阻值的影响。该文通过压电电路分析,研究了基板和压电陶瓷片的长度、厚度、宽度和质量块质量对压电悬臂梁最佳输出功率以及相对应负载匹配阻值的影响。结果表明,一定范围内,增加基板长度、压电陶瓷片厚度、质量块质量可以增加压电悬臂梁外接负载匹配阻值,增加基板厚度、压电陶瓷片长和宽可降低压电悬臂梁外接负载匹配阻值;随着基板长度、压电陶瓷片宽和长、质量块质量的增加,压电悬臂梁最佳输出功率得到显著提高,基板宽度对压电悬臂梁最佳输出功率基本无影响,增加压电陶瓷片的厚度,压电悬臂梁最佳输出功率先增加后降低,存在一个最佳输出功率。     

基于分块压电悬臂梁的压电地板单元研制

为了提高压电地板的发电功率,将压电圆盘或正方形压电结构分块成悬臂梁。有限元静态分析表明,当承重和材料体积相近时,三角形分块的输出功率分别是方形分块和压电圆盘的20倍、7倍;对比分析了顶角为60°、90°、120°的三角形悬臂梁压电地板单元的发电性能,发现减薄压电片和基板厚度使踩踏位移相同时,3种压电地板单元的输出功率相同;若压电片和基板厚度相同,顶角为60°的三角形分块压电地板单元输出功率最大。用6个60°三角形压电悬臂梁制作压电地板单元,以手按压,可轮流点亮两个发光二极管。     

变截面压电悬臂梁系统的建模与实验验证

为对变截面压电悬臂梁系统的性能进行预测、分析和优化,该文对部分覆盖压电材料的悬臂梁数学进行了建模和分析。首先根据系统的动能、悬臂梁和压电片的热力学焓等能量关系的描述,应用拉格朗日方程得到系统的机电运动方程;再采用假设模态法并依据压电悬臂梁的边界条件和相容条件,给出系统的模态振型和自然频率的计算方法。实验结果表明,测量得到的一、二阶模态频率与理论模型计算的误差小于1%,测得的频率响应和理论预测吻合,提高了压电悬臂梁模型预测的精度。     

悬臂梁能量回收装置压电片位置与尺寸优化研究

研究了悬臂梁式压电振动能量回收装置压电片贴片位置和尺寸优化问题。首先分析推导出了应变方程、开路电压方程和压电能量方程,然后提出了运用开路电压和压电能量方程得到压电片的最优贴片位置和最优尺寸的优化方法,最后运用提出的优化方法通过理论计算得到了一、二阶模态下压电片最优贴片位置及最优尺寸,并运用abaqus软件进行了仿真分析。结果表明,理论计算与仿真分析结果基本吻合,一、二阶模态下压电片最优位置分别为梁的根部和中部,最优尺寸均约为梁长的一半。说明提出的压电片位置和尺寸优化方法是正确有效的。     

变截面悬臂梁压电俘能器动力学特性分析

提出一种变截面悬臂梁压电俘能器结构,通过有限元仿真分析其振动特性和输出电压,有利于提高发电性能。该俘能器结构固定端为等截面梁,自由端为变截面梁,压电层粘贴在悬臂梁根部等截面梁表面,改变悬臂梁自由端与固定端的宽度比,得到多种不同形式的变截面悬臂梁。对比分析了三角形梁、矩形梁和具有不同宽度比梯形梁的固有频率、应力和应变分布及简谐激励输出电压响应。结果表明,三角形梁固有频率较大,输出电压最大,同时分析了不同变截面段长度对输出电压的影响。该文还分析了具有相同一阶频率、不同宽度比俘能器的输出电压,表明三角形结构单位体积压电层输出电压最大。对比分析了基体层上根部粘贴压电片和全部粘贴压电片的输出电压特性。结果表明,前者输出电压较大,发电性能更好。     

一种螺旋悬臂梁结构压电能量收集器

提出了一种螺旋悬臂梁结构的可植入式压电能量收集器,这种结构的能量收集器可为植入式医疗器件供电。螺旋结构的设计一方面可以使悬臂梁从多个方向的振动中吸收能量,另一方面还可以降低谐振频率。提出的悬臂梁整体结构厚度为40 μm,宽度为1 mm,整体外部大小为 9 mm×9 mm。该结构中,悬臂梁的末端附上质量块,进一步降低悬臂梁的谐振频率。该收集器的谐振频率为66 Hz,当施加的激励为1g加速度时,输出开路电压为2.2 V,输出功率为4.8 μW。     

H形质量块对压电悬臂梁应变分布的均匀化

提出了一种新型悬臂梁式压电能量回收结构。该结构由普通的矩形梁和H形质量块构成。H形质量块包括两块分离的金属块,它们可提供较大的转动惯量。当受到激励时,H形质量块将在悬臂梁的自由端产生弯矩。通过选择两个分离金属块合适的质量比和整个结构合适的振动模态,悬臂梁的纵向应力分布将趋向均匀一致。分析了该结构并制作了一个原型进行了测试。实验结果同有限元分析一致。     

一种基于梯形压电悬臂梁的能量采集器研究

提出了一种基于d33模式的梯形压电悬臂梁式能量采集器.采用梯形悬臂梁结构能提高能量采集器的平均应力和降低其最大应力,增加其输出电压和使用寿命;同时由于压电材料的d33系数一般是d31系数的2～3倍,利用d33模式同样能提高能量采集器的输出电压.分析和制备了同尺寸的d31模式和d33模式两种能量采集器,并进行测试.实验结果表明,d33模式能量采集器的输出电压约是d31模式的2倍,具有较高输出电压,与有限元分析结果基本一致.     

基于压电陶瓷的等变厚度悬臂梁特性研究

以等、变厚度悬臂梁为研究对象,以单轴向玻璃纤维为基体材料结合压电陶瓷片设计出智能悬臂梁模型。利用数值模拟与实验相结合的方法分析了压电陶瓷片对悬臂梁模态频率、自由端最大位移及应变分布的影响。结果表明,未加电压情况下,增加压电陶瓷铺设数目能有效增大悬臂梁固有频率,减小自由端最大位移,但对应变分布无显著影响;施加电压时,可进一步减小悬臂梁自由端最大位移,亦可减小各监测点应变值。     

压电单晶悬臂梁的输出电压测试分析

通过有限元分析软件ANSYS对压电单晶悬臂梁进行仿真分析,再经实验,研究了基板材质、粘结胶、激振力加速度和激振频率对输出电压的影响.结果表明,弹性模量较大的基板能提高输出电压,采用不导电胶比导电胶的输出电压大;压电悬臂梁对激振频率有很好的选择性,当频率为33 Hz时,输出电压为25.3 V;这有助于优化器件结构,设计出...     

基于Hamilton原理的压电悬臂梁模型建立与分析

根据哈密顿(Hamilton)原理建立了压电悬臂梁(压电梁)能量转换模型,利用数值模拟和实验测试的方法研究了压电梁在固定端受到位移激励时结构尺寸、材料特性和激振频率等对其发电能力的影响规律。研究表明,当基板材料相同时,单、双晶压电梁均存在最佳厚度比(基板/总厚)使其输出电能最多;当基板材料不同时,最佳厚度比随杨氏模量比(基板/陶瓷)增加而减小,铜、钼基板构成的单、双晶压电梁的最佳厚度比分别为(0.7,0.35)和(0.45,0.2);当厚度比(0.5)和激励条件相同时,杨氏模量比对单、双晶压电梁发电能力影响不同;调整单、双晶压电梁自由端质量块使其工作在谐振状态,可显著提高压电梁的发电能力。     

压电微悬臂梁共振频率的检测系统

介绍了一种压电微悬臂梁共振频率检测系统.压电材料沉积在微悬臂梁上,在压电层的上下电极之间施加交变电压使其振动,当微悬臂梁的振动频率等于它的固有频率时,发生共振,此时微悬臂梁的振幅最大.结合所设计的激励电路以及微悬臂梁共振频率检测电路,对压电微悬臂梁进行了检测实验.实验结果表明,放大电路能够检测出压电微臂梁的共振频率,并且压电微悬臂梁达到共振时,共振频率附近振幅远大于其他频率对应的振幅,振幅最大值接近600 nm.     

基于压电振子的振动能量捕获行为研究

压电振子是实现振动能量捕获的重要基础,它的结构参数对其发电量和固有频率产生直接影响,需要进行优化设计.该文针对悬臂梁压电振子结构,采用ANSYS有限元建模方法,进行了静力学及模态仿真分析.研究了压电振子的各参数和质量块对其发电量、固有频率的影响规律,设计并搭建了实验台进行实验研究.实验结果验证了仿真分析的正确性,为压电振子的优化设计提供了依据.     

交叉指型电极压电振子的谐振特性研究

根据压电振子的动力学方程,采用有限元软件ANSYS对交叉指型电极压电振子进行了谐响应分析,得到了压电振子的横向振动响应,获得了分支电极参数对交叉指型电极压电振子谐振频率的影响规律.利用阻抗分析仪对交叉指型电极压电振子的谐振频率进行了实验研究,并与仿真结果进行了对比,两者基本吻合,验证了数值模型的可靠性.此外,研究结果还表明,采用较小的电极周期,可以明显降低振子的谐振频率,从而在相同的激励下,获得较大的作动应变.     

合成喷压电驱动器谐振基频的分析

由于合成喷的广泛应用,对它的关键部位：驱动器的输入参数优化显得非常有必要。文章从理论上分析了压电驱动合成喷的驱动器的谐振基频,发展了一种简单易行的传输线路法电路,并通过这个电路初步研究了合成喷压电驱动器,证实了理论分析的可行性,     

双激励源压电陶瓷超声换能器的共振频率特性分析

 本文对具有两组压电陶瓷激励元件的夹心式功率超声压电换能器进行了理论及实验研究.当换能器中的两组压电陶瓷元件分别被激励时,换能器可以产生两组不同的共振及反共振频率.利用换能器的梅森等效电路,得出了其频率方程.探讨了换能器的共振频率及反共振频率与其几何尺寸及电学边界条件的依赖关系.研究表明,换能器的共振频率不仅与其几何形状和尺寸有关,而且与电学边界条件有关.在同样的几何尺寸下,电端开路时的共振及反共振频率大于电端短路时的共振及反共振频率.在两种电学边界条件下,换能器的共振及反共振频率与几何尺寸之间的依赖关系是相似的,即当换能器圆锥前盖板的半径比增大时,换能器的共振及反共振频率总是降低的.     

多谐振频率固支梁压电能量收集器的设计

为了提高压电振动能量收集器的转换效率,设计了两种固支梁组合方案来实现多谐振频率压电能量收集器。建立固支梁结构的力学模型,得到影响固支梁谐振频率的因素。通过Comsol多物理场软件,仿真验证了两种方案的输出稳态电压频率响应。方案1实现的频带范围为9 Hz,方案2实现的频带范围可达41 Hz。总结了两种方案的优缺点,研究结果对多谐振频率固支梁压电能量收集器的设计及应用具有一定的参考价值。     

基于行车风压的谐振腔式压电俘能器研究

针对汽车行驶过程中车载传感器需要持续稳定的供能需求,设计一种以谐振腔结构为主体,扰流圆柱与亥姆霍兹谐振腔为辅助的压电俘能器。为研究俘能器的发电性能,设计其最佳结构,建立流固电耦合仿真模型。仿真时,根据实际风压分布,将风压载荷分区加载到压电发电模块。仿真分析结果表明,基板与压电陶瓷的厚度比对压电悬臂梁的输出电压和固有频率有影响,最佳厚度比为1.25;基板与主腔体间间隙、扰流圆柱直径、亥姆霍兹谐振腔皆存在最佳尺寸参数使压电俘能器发电性能达到最佳;负载电阻在400～600 kΩ内时,可获得最佳的输出功率;风速为15 m/s时,最大输出功率为37.3 mW。     

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.