压电层厚度对d_(15)模式PZT-51悬臂梁俘能特性影响

设计并制作了压电层厚度分别为0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm的d15模式层合串联结构PZT-51压电悬臂梁俘能器。测量了开路和1.0 MΩ负载下,俘能器的振动频率与输出电压和输出功率的关系曲线,以及1.0 MΩ负载时的振动激励电压与输出峰-峰值电压关系曲线。结果表明,随着压电层厚度的减少,压电俘能器的谐振频率降低,输出电压和功率增大。压电层厚度为0.6 mm的压电俘能器具有最大开路输出电压1.69 V,在1.0 MΩ负载下最大输出功率为0.708μW。     

压电曲梁俘能器的机电耦合方程及其研究

使用哈密顿原理,建立了纯弯曲压电曲梁俘能器的机电耦合偏微分方程,对悬臂边界条件下的压电曲梁俘能器进行了模态分析,得到了俘能器在基础两向振动激励下的模态坐标方程;求解了俘能器在激励下电压与模态响应的稳定解。数值计算实例分析了激励频率、负载电阻对俘能器的电压及功率响应的影响。结果表明,曲梁俘能器与直梁俘能器的电压、功率响应规律具有相似之处,负载电阻不仅对曲梁俘能器的输出功率、输出电压有影响,也会影响其共振频率。     

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.     

弹性振幅放大器对参数激励压电俘能器的影响

该文提出在参数激励压电俘能器中增设弹性振幅放大器。利用扩展哈密顿原理,建立了系统的动力学方程,通过数值仿真,研究了弹性振幅放大器及其刚度系数对俘能器性能的影响。研究结果表明,当压电梁未发生屈曲,且压电梁的固有频率与弹性振幅放大器固有频率比满足1∶2共振条件时,能够降低参数激励俘能器的激励阈值,并拓宽俘能器的频率带宽。此时的刚度系数称为共振刚度系数k_sr。研究表明,当弹性振幅放大器的刚度系数小于k_sr时,俘能器的平均输出功率、均方根电压峰值及频率带宽均随着刚度系数的增加而增加;当弹性振幅放大器的刚度系数大于k_sr时,随着刚度系数的增加,俘能器的频率带宽增大,均方根电压峰值略减小,而平均输出功率在激励幅值较大时趋于相同。     

多向振动俘能器设计及能量收集实验研究

针对线性、单一的振动能量俘能器存在工作频带狭窄、只能采集单向振动等问题,该文提出了一种适应货运列车等多向振动应用场景的新型多向振动俘能装置,以增强对环境中振动能量的俘获。该装置结合压电和电磁俘能器,通过螺旋圆柱弹簧和顶端质量有效捕获多向振动,并通过磁力传递振动能量至压电梁。合理设计了弹簧-质量结构,使其在较低的频率范围内可实现多种振动模态,拓宽了俘能器的谐振频带。为了充分利用压电材料,采用了变宽度压电悬臂梁,使应力均匀分布。压电梁自由端的永磁体随着压电梁的振动而产生变化的磁场,在线圈中产生感应电压。通过有限元分析和实验测试,验证了复合式俘能器可以采集多向振动能量,并测试了在z向振动激励下压电、电磁及复合式俘能器的最大输出功率。在频率9.5 Hz、z向振幅2 mm的正弦波激励下,复合式俘能器输出最大功率为3.276 mW。该系统在理论上可为低功耗传感器提供持续电力,为机械能收集与能量转换领域提供技术支持。     

双端磁耦合式压电振动俘能器结构设计

现有的非线性压电俘能器的输出功率提升主要通过改变俘能器的结构或引入非线性元素,但这些方法在提高俘能结构的输出功率,拓宽俘能器的俘能频带方面能力受限。该文设计了一种双端磁耦合式悬臂梁结构压电俘能结构,在利用永磁体引入非线性元素的基础上优化俘能结构,进一步提高系统的输出电压,拓宽俘能频带。通过将悬臂梁俘能结构等效为复杂边界条件的悬臂梁,推导磁耦合式悬臂梁结构的工作状态方程,并得到磁耦合式悬臂梁俘能结构的输出电压与永磁铁间距的关系,并通过实验测试进行验证。结果表明,在永磁体间距为5mm时,压电俘能结构获得最大的输出功率,在最佳的永磁铁间距和负载电阻下,双端压电磁耦合式悬臂梁的输出功率可达传统悬臂梁式压电俘能结构的1.5倍,谐振频率下降约7Hz。     

压电-电磁复合式俘能器设计及能量收集测试

设计了一种压电-电磁复合式俘能器,利用机电耦合状态方程推导了输出功率表达式。应用试验测试对比分析了压电式、电磁式、复合式俘能器的输出特性,结果表明,复合式俘能器的3dB带宽比压电式、电磁式俘能器分别增大了67%、25%,最大功率提高了38%、118%。设计了压电-电磁复合式俘能器能量收集电路,分别利用LTC3588、LTC3108芯片收集压电俘能单元、电磁俘能单元输出的电能,并用超级电容存储。分别应用3种俘能器进行超级电容充电测试,结果表明,复合式俘能器的充电时间比压电式、电磁式俘能器分别减少了29%和52%。     

一种冲击式悬臂梁压电俘能器的设计与实验

为提高悬臂梁压电俘能器的俘能效率,提出了一种冲击式悬臂梁压电俘能器。该俘能器包括多个悬臂梁压电振子,可在风力、人体动力能及环境振动能等多种外载荷作用下产生电能。俘能器的核心部件是悬臂梁压电振子,通过冲击实验发现悬臂梁压电振子在周期性冲击载荷作用下拓宽了共振频率,同时提高了输出功率。测试结果显示在频率约为21Hz的方波冲击信号下,外接电阻为50kΩ时,单个悬臂压电俘能器最大输出功率可达0.28mW;当频率分别为5Hz、8.5Hz时,还可分别输出0.07mW和0.17mW的功率,俘能器出现多个峰值电功率。研究表明所设计的冲击式压电俘能器可有效提高俘能效率。     

磁力调控驰振压电-电磁复合俘能器设计与研究

为避免驰振俘能器高流速下PZT损坏,使其能在复杂工作环境中具有稳定的输出特性,该文提出了一种利用磁力控制悬臂梁振动幅值的压电-电磁复合俘能器(GPEEH)。引入的非线性磁力可以调控钝体的振幅,提高驰振压电俘能器(PEH)的输出稳定性,改善其对高风速环境的适应性,且能够增加复合俘能器的输出电压。在搭建风洞实验平台和制作实验样机的基础上,研究不同负载电阻、风速、关键结构参数d₀和d₁对俘能器输出特性的影响规律。实验结果表明,当PEH钝体的振幅被磁力限制在一定区间时,钝体的振动频率和速度随着风速的升高而逐渐增加。风速为11.5 m/s时,PEH振动主频率(6.3 Hz)是风速为8.4 m/s时PEH振动主频率(4.3 Hz)的1.4倍。当风速为12 m/s, GPEEH的输出功率为6.18 mW,相较于单一驰振压电俘能器的输出功率提高了47%。其中当风速达到10.5 m/s时,PEH和电磁俘能器(EEH)的输出功率均趋于稳定。     

压电悬臂梁俘能器输出特性仿真分析

为了研究压电俘能器的振动频率、内阻抗、负载及输出功率之间的耦合关系,基于ANSYS APDL软件,对单、双晶串联、双晶并联等多种不同配置方式的压电悬臂梁俘能器进行了压电 电路耦合分析。研究表明,俘能器内阻抗随振动频率呈现非线性变化,在短路谐振频率处达到最小值,在开路谐振处达到最大值;俘能器内、外阻抗匹配时,俘能器输出功率达到最优值;俘能器阻尼较小时,最优输出功率出现在短路谐振与开路谐振处,随着阻尼比逐渐增加,最优输出功率出现在两者之间,且只有一个峰值。     

悬臂梁式压电振动能量收集系统输出功率的优化研究

针对环境振动能量较小、振动源频带较宽导致压电能量收集系统输出功率较低的问题,探究了悬臂梁式结构能量收集系统采用并联或串联电感优化统输出功率的方法和特性,分析了不同并、串联电感值对输出功率的影响.鉴于压电悬臂梁的工作频率较低,匹配电感值较大,采用无损模拟电感进行了实验验证.理论分析与实验结果均表明,在不同的激振频率下对应不同的匹配电感值,在偏离谐振频率附近也可获得与谐振状态几乎相同的最大输出功率,从而拓宽了工作频率,提高了压电振动能量收集系统的能量收集水平.当激振频率分别是谐振频率的0.8和1.2倍时,并联或串联电感获得的最大输出功率分别是无电感纯电阻负载的26.4倍和18.2倍.     

直管谐振式低频压电声能量回收系统

为了高效回收环境中的声能,基于阵列式压电换能器、直管谐振腔以及能量回收电路提出了一种声能量回收系统.当声波进入直管谐振腔,管中产生谐振驻波作用于压电换能器,将声能转换为电能.本文设计了能量回收电路并且进行理论、仿真分析实验研究了压电振子数量、声波频率、声压级对输出电压的影响,分析了负载电阻对输出电压及功率的影响.实验结果表明,该装置可回收不同频率的声能量,在声波频率为96Hz时发电效果最优.当入射声压级为110dB时,不使用能量回收电路,输出交流电压有效值最高达12.9V,输出交流功率最高达到799μW;使用设计的能量回收电路,最高输出直流电压为64.2V,最高输出直流功率为473μW.该声能量回收系统不仅可以作为声能量采集器,还能对无线传感节点等独立工作的微型电子系统供能.     

悬臂梁式压电振动能量收集器的疲劳分析

建立了悬臂梁式压电振动能量收集器的有限元模型,通过模态分析求解了其一阶固有频率,并通过实验验证了求解结果的准确性。对所建立的有限元模型进行静态分析后将静态分析的结果导入ANSYS nCode DesignLife中进行疲劳分析,结果表明,随着激励位移幅值的增大,压电层的应变与其成线性关系增大,而疲劳寿命迅速缩短,当激励位移增大1倍时,疲劳寿命缩短了284倍。因此在实际应用中,要综合考虑压电悬臂梁的输出电压及压电陶瓷层的疲劳寿命,才能实现最大的电能输出。     

拨动式上变频压电俘能器的设计与研究

该文提出了一种基于弹簧振动平台的上变频压电俘能器,解决了低频振动能量收集效率低的问题。分析了压电悬臂梁输出功率与激励频率的三次方正相关,解释了采用上变频收集低频振动能量的原因。应用赫兹接触理论分析了拨片与压电悬臂梁的接触力,建立了拨动式激励的压电俘能器机电耦合模型。在综合考虑重叠长度和拨片厚度等影响因素后,选取厚度0.1 mm矩形不锈钢拨片。实验表明,在1g(g=9.8 m/s²)、5.67 Hz的激励信号下,单拨动式上变频V25W型压电悬臂梁输出功率可达9.6 mW,具有很强的低频能量收集性能。     

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。     

压电电磁复合式振动能量采集器模型的研究

针对目前单一化的压电式或电磁式机械振动能量采集装置最大输出功率较低的问题,设计了一种新型的压电电磁复合式能量采集器。通过对复合式能量采集器建立数学模型,推导出了电压、电流及输出功率的表达式。然后对复合式能量采集器的输出功率特性进行数值仿真,并设置压电片内阻值及其他参数条件,对比分析复合式能量采集器模型与单一的压电式或电磁式能量采集器模型,理论上输出功率提高了38.2%和4.74%。最后通过对采用悬臂梁结构的振动能量采集器的具体实验数据进行分析,论证了压电电磁复合式能量采集器输出功率的高效性。