磁力耦合阵列式压电俘能器振动特性研究

振动能量收集技术有望解决无线传感节点自供电的难题.通过引入非线性磁力,本文设计了一种磁力耦合阵列式压电俘能器(MA-PEH).基于磁偶极子法建立非线性磁力模型,利用有限元方法获取组合梁的恢复力模型,根据牛顿第二定律及基尔霍夫定律建立系统的动力学模型.仿真分析了激励幅值、激励频率对动力学响应的影响规律,并进行实验验证.研究结果表明:在非线性磁力作用下,系统在谐振频率附近出现混沌和阱间周期运动,这将有利于拓宽俘能器的工作频带;随着激励频率改变,各组合梁始终保持相同的运动状态,当系统处于阱间周期运动状态时,只存在一种类型的组合梁处于高能输出状态.当激励频率分别处于两个组合梁的谐振频率附近时,增大激励幅值,将导致一种类型的组合梁输出被提升,而另一种类型的组合梁输出被抑制.     

一种磁耦合激励的涡轮式压电气流俘能器EI北大核心CSCD

为满足气流管道监测系统的自供电需求,提出一种磁耦合激励的涡轮式压电气流俘能器。建立了俘能器的理论模型并进行了仿真分析,设计制作了样机并进行了试验测试,获得了磁铁排布、附加质量、压电振子串并联及负载电阻对其输出特性的影响规律。结果表明:在其他条件确定时,存在多个较佳气压使输出电压出现峰值,主频峰值的大小和分频的位置均与激励磁铁排布有关;通过附加质量可以调节最佳气压和输出电压峰值,采用多个不同附加质量的压电振子串联或并联可以拓宽俘能器的气压适应范围;存在不同的最佳负载使多个压电振子串联和并联时俘能器的输出功率达到最大,最佳负载及其所对应的最大输出功率分别为(40 kΩ,41 mW),(15 kΩ,50 mW)。     

宽频压电振动俘能器的研究现状综述EI北大核心CSCD

随着便携式电子设备、微机电系统(MEMS)和无线传感器网络的广泛应用,化学电池供能的弊端日益显现。压电振动俘能器可以将环境中的振动能转换成电能,实现低功耗微电子产品的无线供能或能量自给。在实际应用中,为了增强俘能器的环境适应能力,提高其俘能效率,宽频压电俘能技术成为当前的研究热点。介绍了压电振动俘能器的工作原理、常用压电材料和工作模式,综述了宽频压电俘能技术的国内外研究现状,分析了当前研究中存在的问题和不足,提出了未来可能的研究方向。压电振动俘能技术为低功耗微电子产品提供了一种稳定、安全、长久的新供能方式,具有良好的应用前景。     

双向激励下非线性压电俘能系统的稳态响应分析EI北大核心CSCD

基于基础激励的多向性和实际环境中的低频率环境,研究了在固定基础端受到水平和垂直双向激励的附加端部质量块悬臂梁压电俘能系统的非线性稳态响应问题。通过Hamilton原理对一个附加端部质量块悬臂梁双晶片压电俘能系统模型的非线性偏微分方程进行理论推导和计算分析。假设此悬臂梁为轴向不可伸长的Euler-Bernoulli梁,此模型主要包含几何非线性和阻尼非线性。利用Galerkin法将非线性偏微分方程降阶得到双向激励作用下附加端部质量块悬臂式压电俘能系统的机电耦合运动微分方程。采用多尺度法研究压电俘能系统在其主要的一阶共振情况下的响应,获得了俘能系统的垂直位移、输出电压和输出功率的解析表达式。得到其主要一阶垂直位移幅值,输出电压幅值和输出功率幅值。分析了不同激励情况下,激励相位等对压电俘能系统俘能性能的影响。     

线形-拱形组合梁式压电俘能器振动特性研究

为揭示线形-拱形组合梁式双稳态压电俘能器系统参数对其动力学响应特性影响规律,利用磁化电流法及广义Hamilton变分原理,分别建立压电俘能器非线性磁力模型及系统分布式参数模型;采用谐波平衡法对俘能系统响应特性进行分析,讨论不同磁铁间距、激励幅值、负载阻抗等参数对系统幅频响应及输出功率的影响规律,并进行实验验证.研究结果...     

压电俘能技术研究现状综述

摘要：随着微电子、无线网络和MEMS等低耗能产品的应用日益广泛,以化学电池为其主要供能方式存在着诸多弊端,而压电俘能器具有结构简单、不发热、无电磁干扰、无污染和易于实现机构的微小化、集成化等诸多优点,且能满足此类低耗能产品的供能需求而备受关注。综述了压电俘能技术的国内外研究现状。围绕提高压电俘能效率,从压电振子构成形式、能量存储电路和能量存储元件等方面进行了系统的介绍,并对压电俘能技术的发展方向进行了预测。压电俘能技术可应用于导弹引信,海啸预警、桥梁安全监测、石油输油管道监测等重要领域的安全检测装置的自供能系统中,同时也可为无线网络、嵌入式系统和MEMS等低耗能产品的实现无线供能,展现出了压电俘能技术的良好应用前景。     

压电-电磁复合振动俘能器的耦合负载特性及俘能性能

基于环境振动的俘能装置作为自供能微电源可以有效避免对外部电源的依赖.提出了一种新型的两端固支式低频压电-电磁复合振动俘能装置.理论推导了复合俘能系统的耦合动力学模型及俘能性能方程.利用搭建的实验平台分别研究了单一压电式、单一电磁式以及复合俘能装置不同激励加速度、频率以及两个支路不同外接负载下的耦合负载特性及俘能性能.实...     

预应力式压电能量采集器的模型和试验分析EI北大核心CSCD

为提高振动能量的采集效率,设计了一种基于预应力梁的压电能量采集器。基于欧拉-伯努利梁理论,建立了基础激励条件下含预应力压电陶瓷悬臂梁的动力学模型,并利用数值仿真的方法对其输出功率、电压等性能进行分析。最后搭建了试验平台对上述预应力能量采集器的样品进试验测试,对其输出电压、输出功率和自由端位移与预应力大小关系进行分析和研究。试验结果显示在相同条件下,5.9 N轴向预拉力作用下的压电能量采集器的开路电压比无预应力条件下提高了11.6 V。对相同容量的电容的充电试验结果表明,含5.9 N轴向预拉力的压电能量采集的平均充电电压比无预应力情况下提高了1.55 V。数值仿真和试验结果均显示含预应力的PEH的能量采集效率得到明显提高。     

轨下压电叠堆俘能器安装对车轨系统动力性能的影响

压电俘能技术已经在轨道交通领域受到广泛关注,但目前主要侧重于压电俘能器的结构设计。俘能器的安装会在轨道结构中附加新的装置,可能会对车轨系统动力性能产生一定影响,甚至会威胁行车安全。然而,俘能器的安装对车轨系统动力性能的影响鲜有报道。以轨下压电叠堆俘能器为研究对象,建立了车辆-轨道-俘能器耦合系统的动力分析模型,构建了安装单个或多个俘能器下钢轨和道床的垂向振动方程,采用MATLAB软件编写了新型预测-校正积分法程序,给出了理论解答。通过与已有文献的结果对比,验证了程序的正确性。进一步,探究了采用单个和多个安装方式时俘能器的等效刚度对车轨系统动力性能(钢轨位移、钢轨加速度、扣件力和车体加速度)的影响,并评估了等效刚度与列车舒适度的关系。结果表明：当俘能器等效刚度在0～60×10～6 N/m变化时,随着俘能器等效刚度的增加,两种安装方式的最大钢轨位移减小,钢轨加速度减少,车体加速度几乎保持不变,扣件力减小,列车行驶的舒适度呈现微小变化;当俘能器的等效刚度在0～2×10～6 N/m选取时,俘能器的安装对车轨系统动力性能影响很小。研究成果为轨下压电叠堆俘能器的设计与安装提供了理论指导。     

基于MFC的地铁轨道振动能量收集研究EI北大核心CSCD

压电陶瓷极限受拉承载力弱,导致传统悬臂型俘能器在工程应用中极易开裂损坏,与其持续供能的初衷相违背。压电纤维复合材料(MFC)具有优异的柔韧性、耐久性,恰恰弥补了这一缺陷。然而以MFC材料为基础的俘能器在地铁轨道振动能量俘获中的应用鲜有研究。首先建立地铁车辆-轨道耦合系统模型,得到钢轨在车辆荷载作用下的动力响应。紧接着基于混合规则和代表体积元建立型悬臂式MFC俘能器的力电耦合模型,并将钢轨的动力响应作为俘能器的输入荷载预测其电能输出,讨论了材料参数、几何参数及车辆荷载特性对输出电能的影响。并进一步通过试验研究,验证了所建立理论分析模型的正确性。最后基于LTC3588-1能量管理芯片进行了能量收集-存储模拟,验证了MFC俘能器用于无线传感器供能的可行性。     

Flexible highly-effective energy harvester via crystallographic and computational control of nanointerfacial morphotropic piezoelectric thin film

Controlling the properties of piezoelectric thin films is a key aspect for designing highly effident flexible electromechanical devices.In this stud~ the crystallographic phenomena of PbZr1-xTixO3 (PZT) thin films caused by distinguished interfacial effects are deeply investigated by overlooking views,including not only an experimental demonstration but also ab initio modeling.The polymorphic phase balance and crystallinity,as well as the crystal orientation of PZT thin films at the morphotropic phase boundary (MPB),can be stably modulated using interfacial crystal structures.Here,interactions with MgO stabilize the PZT crystallographic system well and induce the texturing influences,while the PZT film remains quasi-stable on a conventional Al2O3 wafer.On the basis of this fundamental understanding,a high-output flexible energy harvester is developed using the controlled-PZT system,which shows significantly higher performance than the unmodified PZT generator.The voltage,current,and power densities are improved by 556％,503％,and 822％,respectively,in comparison with the previous flexional single-crystalline piezoelectric device.Finally,the improved flexible generator is applied to harvest tiny vibrational energy from a real traffic system,and it is used to operate a commercial electronic unit.These results clearly indicate that atomic-scale designs can produce significant impacts on macroscopic applications.     

Thermo-mechanical vibration analysis of sandwich beams with functionally graded carbon nanotube-reinforced composite face sheets based on a higher-order shear deformation beam theory

This article proposes a higher-order shear deformation beam theory for free vibration analysis of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite sandwich beams in a thermal environment. The temperature-dependent material properties of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite beams are supposed to vary continuously in the thickness direction and are estimated through the rule of mixture. The governing equations and boundary conditions are derived by using Hamilton's principle, and the Navier solution procedure is used to achieve the natural frequencies of the sandwich beam in a thermal environment. A parametric study is led to carry out the effects of carbon nanotube volume fractions, slenderness ratio, and core-to-face sheet thickness ratio on free vibration behavior of sandwich beams with functionally graded carbon nanotube-reinforced composite face sheets. Numerical results are also presented in order to compare the behavior of sandwich beams including uniformly distributed carbon nanotube-reinforced composite face sheets to those including functionally graded carbon nanotube-reinforced composite face sheets.     

两种磁性液体用氟碳表面活性剂性能的实验研究

氟碳表面活性剂作为一种新型功能材料,具有优良的耐热稳定性和化学稳定性,耐高温、耐酸碱、耐腐蚀等特性,具有高表面活性、用量少、有效率高等卓越特点,通过对2种氟碳表面活性剂：全氟聚醚油（FMY）和全氟聚醚酸（FMS）与其它碳氢类和有机硅类的表面活性剂在表面张力的测量,表面张力随温度的变化,复配张力变化以及粘温性能测试等几个方面进行实验,得出其最佳使用条件,从而为制备氟碳基磁性液体确定制备工艺条件。