随机振动激励下的压电俘能器发电性能模拟与分析

对一种悬臂梁结构车载压电俘能器发电性能进行了研究,建立了两自由度1/4车辆垂向振动模型,使用仿真软件MATLAB/Simulink分析了路面随机激励下的车体振动响应,并以此作为激励源作用于压电俘能器上,使用有限元法分析了俘能器基频、外接负载、车速、路面不平度对俘能器输出电压、电流和功率的影响关系。结果表明,当俘能器基频与车辆系统固有频率相匹配时,俘能器可以获得更高的输出电压,增加负载阻抗值,俘能器输出电压增加、输出电流减小,存在一个最优负载阻抗(约为200ｋΩ)使俘能器输出功率达到最大,负载阻值相同时,提高车速和增加路面不平度系数均可以使俘能器获得更高的输出功率。当车辆以10ｍ/ｓ速度行驶在B级路面上时,压电俘能器最大输出功率可到达0.5ｍＷ。     

压电纤维复合材料悬臂梁发电性能分析

研究了压电纤维复合材料悬臂梁俘能器的电学特性,使用有限元法分析了叉指型电极结构尺寸、压电纤维和基板材料厚度对输出电压的影响,并将同等尺寸的d33和d31模式压电纤维材料悬臂梁俘能器发电能力进行对比分析.结果表明:叉指电极结构尺寸对工作于d33模式的压电纤维材料悬臂梁俘能器输出电压影响较大.d33模式俘能器具有能产生高电压、低电流值的特点,当压电纤维和基板材料的最佳厚度比为0.75时,俘能器产生电荷量最大.而d31模式俘能器具有能产生低电压、高电流值的特点,当压电纤维和基板材料的最佳厚度比为0.6时,俘能器的输出电压最大.相对于d33模式压电纤维材料,工作于d31模式压电纤维材料更适合作为发电材料使用.     

基于梯形回环的低频双晶压电俘能器特性分析

针对如何实现微机电系统器件长时间供能已成为亟待解决的问题,提出了一种基于梯形回环的低频双晶压电俘能器,建立了ANSYS有限元分析模型,对其进行了静态分析、模态分析和谐响应分析,将梯形回环俘能器的特性和矩形回环俘能器的特性进行比较。仿真结果表明,在相同发电面积和相同结构的情况下,基于梯形回环的压电俘能器的输出电压比传统的矩形回环的压电俘能器电压提高了115%;引入边峰抑制比(SPI)来衡量其宽频俘能能力,梯形回环双晶压电俘能器宽频能力较传统的矩形回环压电俘能器提高了5%。     

磁场耦合双梁压电振动俘能器响应特性研究

环境振动能量收集有望解决微功耗无线传感器节点的供电问题。针对典型压电式振动俘能器多为线性谐振系统,工作频带窄,难以适配实际振源的问题,引入外加磁场,研究双梁—永磁体结构的能量收集器的振动特性,利用磁偶极子理论建立了磁力模型并引入动力学方程中,建立系统集中参数动力学模型,仿真分析了系统关键参数对响应的影响规律,最后搭建实验平台进行了验证。研究结果表明:双梁压电俘能器在耦合磁场作用下俘能效率相对无磁力时大幅提高,在磁间距为26 mm时俘能范围拓宽3倍,电压输出显著提高。     

MEMS压电阵列振动能量收集器

近年来,随着微能源的发展,微型压电振动能量收集器得到了广泛关注,但传统d31模式PZT薄膜微型压电振动能量收集器输出电压普遍较低,难以满足应用需求。为提高微型压电振动能量收集器的输出电压,论文提出了共质量块悬臂梁阵列压电振动能量收集器新结构,该结构包含压电悬臂梁单元组成的阵列和一个质量块,悬臂梁阵列共用质量块。采用有限元方法对该结构进行了优化设计,得到压电悬臂梁单元优化尺寸为3 mm×2.4 mm×0.05 mm,硅质量块优化尺寸为8 mm×12.4mm×0.5 mm。设计了MEMS压电阵列振动能量收集器加工工艺流程,加工出原理样件。在1 gn加速度,239.7 Hz谐振频率激励下,测试得到样件输出开路电压有效值为9.16 V;在最优化负载200 kΩ下,负载输出电压有效值为5.51 V,输出功率为151.8μW。     

全叉指电极d33模式压电悬臂梁俘能器研究

为了克服表面叉指电极d33模式微机电系统(MEMS)悬臂梁振动俘能器中存在的压电材料极化不完全、存在弯曲电场等问题,提出了一种电极贯穿于整个压电层的全d33模式MEMS悬臂梁振动俘能器.根据机电耦合模型,分析了电极尺寸与材料厚度对压电俘能器输出功率的影响.优化结果表明:当硅基底厚度为20μm、电极宽度1μm时,电极间距最优范围为25～75 μm,PZT材料最优厚度为7μm,归一化后得到功率密度为34.5mWcm-3gn-2.通过在表面叉指电极d33模式俘能器的基础上增加电镀电极工艺,设计了不锈钢基底的全d33模式MEMS俘能器的工艺流程,完成了部分单元工艺.     

双晶压电悬臂梁俘能器的建模与仿真

针对双晶片悬臂梁式压电俘能器的优化问题,考虑悬臂梁末端位移与质量块质心位移的差异,对Roundy数学模型进行了修正.通过ANSYS有限元软件对俘能器建模并进行模态分析和谐响应分析,当质量块长度逐渐变大时,修正后数学模型对俘能器一阶固有频率和输出电压有更好的预测精度.研究了质量块形状和负载对俘能器输出特性的影响规律,发现在质量块质量不变时,提高质量块的质心高度能提高俘能器的发电能力,对俘能器的结构优化具有借鉴意义.     

窄带随机激励下三稳态压电俘能器的动力学特性与实验研究

本文研究了窄带随机激励下三稳态压电俘能器的动力学输出特性.首先,建立了非线性三稳态压电俘能器的分布参数型机电耦合运动方程,并基于多尺度法推导得到系统运动方程响应的解析解以及一阶、二阶稳态矩的表达式.其次,分析了磁铁间距、噪声强度和激励幅值等参数对系统稳态响应的影响.研究结果表明,在一定参数范围内,随着噪声强度的增加,压电振动俘能器会经历阱内振动、阱间振动甚至大轨道周期运动,以表现出单稳态、双稳态和三稳态特性;改变磁铁水平间距和竖直间距构造三稳态压电俘能器,其振动幅值和采集电压相较于双稳态明显提高.最后,通过实验比较了压电俘能器在不同位形时的采集性能,结果表明了三稳态压电俘能器的优越性,为窄带随机激励下的非线性振动俘能器的设计提供一定的理论依据.     

基于滚压的压电叠堆压电转换特性仿真分析

本文提出一种基于滚压的压电俘能器结构,结合Cymbal压电换能器和压电振子叠堆,利用滚珠作为激励源,可以把机构的往复振动转换为对压电振子的单向压迫.使用仿真软件对俘能器结构中滚珠压迫压电单元的力,以及该俘能器结构在并联和串联模式下输出的电压和俘获的电能进行仿真分析,得到该结构的压电转换特性.仿真结果表明,滚珠对压电叠堆的压迫力与压电陶瓷层数并不是单向递减,1-5层时递增,5层以后压迫力逐渐减小.在压电陶瓷的总层数不变的情况下,并联和串联时压电叠堆所俘获的总电能是不变的.两种联接模式下总电能随层数的变化关系为5层以内时随层数的增加而减小,超过5层后逐渐增加.     

微型双稳态板压电俘能器的仿真研究

基于中间固定、四边自由的微型压电层合板模型,应用应变梯度理论考虑其尺寸效应,借助ABAQUS用户自定义子程序(UEL)模块自定义了一种三维八节点的微型压电单元.利用有限元法热-力-电耦合分析对微型双稳态板压电俘能器进行了仿真研究,发现其在不同的激振频率下存在不同的变形状态,非线性动态分析显示该结构在其一阶固有频率之前也能俘获较多电能,且存在多态转换交替出现的现象.针对该微型双稳态压电俘能器,给出了其最佳的工作频率和最大俘获电压.研究成果对微型压电俘能器的设计分析和性能检测具有重要的指导意义.     

AIN压电振动能量收集器的结构优化设计与实验

在整体尺寸不变的基础上,结合集总参数模型,利用ANSYS有限元软件对氮化铝(AlN)压电振动能量收集器的结构参数进行优化设计,得到压电悬臂梁单元的优化尺寸为5mm×12mm×0.05mm.设计了工艺流程,加工了原理样机.经测试:在1gn加速度,204.6 Hz谐振频率激励下,样机在最优化负载80 kΩ下的输出电压为2.3V,输出功率为66.125μW,满足部分低功耗传感节点的供能要求.     

风致驰振型压电-电磁复合俘能器等效电路建模及参数影响分析

为了研究与标准直流接口电路相连的风致驰振型压电-电磁复合俘能器的发电性能,建立了风致驰振型压电-电磁复合俘能器的等效电路模型,利用电路仿真软件仿真分析了接口电路串联和并联配置、激励风速和负载电阻对压电-电磁复合俘能器输出功率的影响关系.结果表明,俘能器起振后,直流接口并联连接比串联连接具有更高的功率输出.对于并联接口电路,在低负载阻抗区,压电-电磁复合俘能具有比单一压电和单一电磁俘能更高的输出功率;在高负载阻抗区,压电-电磁复合俘能与单一压电俘能的输出功率相当,电磁俘能表现出对高阻抗负载的不适用性.本文参数化分析结果有助于理解连接标准直流接口电路的压电-电磁复合俘能器发电性能.     

一种新型压电俘能器的振动特性分析及性能研究

基于压电效应设计了一种包含屈曲梁、质量块和非线性弹簧的新型压电俘能器结构,并对其进行了振动响应分析.首先基于Euler-Bernoulli梁理论,利用Hamilton原理建立了压电俘能器结构的非线性动力学方程,通过Galerkin离散后数值分析了结构参数对系统一阶固有频率的影响;进一步利用多尺度法对系统进行摄动分析,研究了系统的稳态幅频特性,数值分析了各系数对幅频响应曲线的影响,结果表明该结构在简谐激励作用下会存在多种跳跃现象;最后数值分析了压电俘能器的发电性能,讨论了激励幅值和初始静挠度对发电电压的影响.     

新型双方向压电俘能装置设计与实验研究

研究了一种新型的双方向压电俘能器,简化拾振器结构,利于压电俘能装置的产品化.采用矩形压电晶片和悬臂梁结构对双方向压电俘能器结构进行设计;研究了附加质量对压电俘能器发电性能的影响.通过实验方法测试了新型的双方向压电俘能器在不同环境激励下的发电性能,结果表明:压电振子的固有频率与自由端附加质量成反比,在进行主副压电振子附加质量选取时,根据外界环境激励的频率范围,选取最容易激发压电振子共振的附加质量,使得主压电振子与副压电振子分别与激励频率产生共振,实现产生电能最大化.     

MFC柔性压电材料俘能特性实验及其往复弯曲摆动参数优化

弯曲摆动作用下的柔性压电材料的俘能特性进行了实验研究,利用所设计搭建的"柔性压电材料往复弯曲摆动实验系统"对基于MFC柔性压电材料所制作的悬臂梁柔性压电振子在弯曲摆动作用下的俘能特性展开了实验研究,分别研究了其在不同的弯曲摆角、弯曲摆速、基板厚度、压电材料表面积、负载电阻等影响因素下的俘能特性规律.研究结果表明:处于恒定的弯曲摆角状态下时,逐渐提高柔性压电材料横截面的过程中,悬臂梁柔性压电振子将会输出更大幅值的开路电压.随着负载电阻的增大,形成了更大的开路电压幅值并最终接近稳定状态.调整弯曲摆速后,并没有引起开路电压幅值的明显改变,总体保持相对稳定趋势.经过试验确定较优的参数:设定弯曲摆动角为15,弯曲摆速为20 r/min,压电材料横截面为800 mm2的条件下,外接负载电阻100 kΩ,可以输出2760 mV的开路电压幅值.     

具有时滞反馈控制的双稳态压电-电磁式俘能器的随机动力学

本文研究了色噪声激励下具有时滞反馈控制的双稳态压电-电磁混合式俘能器的动力学特性.首先,建立了非线性双稳态压电-电磁俘能器的集中参数型机电耦合运动方程,并基于能量包线随机平均法推导得到系统稳态概率密度函数和平均输出功率表达式,通过蒙特卡洛数值方法验证了理论解的正确性.其次,分析了时滞和反馈增益系数对系统输出功率的影响.研究结果表明：在一定参数范围内,随着位移时滞与速度时滞的增加,输出功率出现周期性变化,并在特定的时滞与反馈增益组合下达到最大值;调节反馈增益系数可以改变输出功率的相位和大小.说明通过合理地设置时滞反馈控制可以提高俘能器的采集功率,为随机激励下非线性振动俘能器的设计和优化提供一定的理论依据.     

微型之字形压电式能量收集器输出电压的建模和仿真

为了有效解决无线传感器网络节点的供电难题,提出之字形结构的微型压电式能量收集器。相比于传统的直悬臂梁,此结构等效加大了压电梁的长度,降低了系统的固有振动频率。建立了之字形压电梁的本构方程和受迫振动方程,推导得到其输出电压的频域表达式。基于之字形压电梁的结构,利用ANSYS软件对其进行了谐响应分析。仿真结果表明,压电梁的输出电压在各阶固有振动频率处存在极值,符合理论分析的结果;输出电压大小随压电梁长度增加而降低,随压电梁宽度增加而升高,但均为非线性关系;压电梁末端质量块的长度和厚度、基体层厚度减小时,会导致输出电压的增大。在论文中所提出的结构尺寸下,10根直梁构成的之字形结构压电梁,在其一阶固有振动频率处,输出电压可达10 V以上,符合无线传感器网络节点的实际供电需求,证明了之字形压电梁结构的有效性。     

剪切型压电变压器振动基元尺寸参数对振动模态影响的研究

压电变压器在集成电路中有广泛的使用需求,剪切型压电变压器利用压电材料剪切振动模态优异的压电和机电耦合性能,有着极大的研究价值和发展前景.文章利用有限元方法,仿真分析了剪切型压电变压器振动基元尺寸参数变化对剪切振动模态的影响.为验证有限元仿真计算结果,文章通过激光多普勒振动测量仪测量压电变压器3个振动基元的振动情况,并且通过实验测试了压电变压器的性能指标,其中输入端尺寸为10 mm,输出端尺寸为20 mm的变压器综合性能最佳.当输出端负载为5.1 kΩ时,变压器的变压比为6,效率为91％;当负载为200kΩ时,变压比增大到34.1,效率为13.04％.     

移动车辆桥梁系统中的振动能量获取

本文对移动车辆作用下桥梁系统的振动能量俘获进行了研究.将车辆模型简化为车轮--弹簧--阻尼器--簧上车身质量体系,桥梁简化为对边简支对边自由板模型,压电俘能结构采用粘贴有压电晶体材料的悬臂梁并在其末端附加一质量块.对于这个耦合动力学模型,首先,通过板壳振动理论推导出了移动车辆作用下板的运动微分方程;其次,根据欧拉伯努利梁振动理论和基尔霍夫第一定律得到了以桥梁振动响应作为激励的悬臂梁动力学--压电耦合方程;最后,对耦合运动微分方程进行了求解并对其数值模拟结果进行了分析.结果表明:采用设计的压电俘能结构可以有效地收集桥梁系统的振动能量,而压电装置的位置、压电梁的厚度、集中质量、车辆速度对压电俘能效率都有一定影响.     

直角复合梁压电俘能器多方向能量收集

提出了一种可进行多方向能量收集的直角复合梁压电俘能器。使用有限元分析法得到了直角复合梁压电俘能器的功率频响曲线,并与常规复合梁压电俘能器进行了发电能力比较研究,随后参数化分析了金属主梁长度和附加质量对直角复合梁输出功率的影响关系。结果表明,相比于常规的复合梁,直角复合梁压电俘能器可以进一步减小两个谐振频率之间的距离,并且在两个激励方向（x向和z向）有较高的峰值功率密度。x方向激励时,通过合理调节金属主梁长度和末端质量,直角复合梁压电俘能器可以得到两个更接近的峰值功率密度;z方向激励时,随着金属主梁长度和末端质量的增加,直角复合梁压电俘能器的峰值功率密度增加。