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.     

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.     

一种基于压电俘能器供电的温度测量系统设计

物联网时代传感器节点往往分布广泛,且有时传感器节点放置位置不易触及,电池能量一旦用尽不易更换,该传感器节点就无法正常工作。为此,该文设计了一种基于压电振子振动能量供电的微功耗温度测量系统,该系统利用压电振动能量收集装置将环境中存在的低频振动能量转换为电能并收集存储,并为设计的微功耗温度测量系统供电从而实现温度信号采集和发送。提出了一种基于干簧管的能量采集电路,其采集效率是标准能量采集电路的32倍,最后通过试验验证了该系统的可行性与准确性。     

基于卡门涡街原理的谐振型风力压电俘能器研究

针对大田环境中无线传感器网络节点需要持续稳定电能的要求,发展一种基于卡门涡街原理的谐振型风力压电俘能技术。基于计算流体力学数值方法,分析在不同风速下进气道内流场的流体动力学行为,实现对进气道及绕流体的结构设计。采用亥姆赫兹谐振腔作为风压谐振放大及涡脱频率的调节装置,并使谐振腔底部压电复合薄圆板与谐振腔的频率一致,从而在气流的冲击振荡作用下产生共振并输出最大的电能。实验表明,谐振型压电俘能器在风速14m/s,外部负载电阻400千欧时最大可输出13.6mW的电能。     

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.     

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。     

基于压电俘能器的自供电步态检测系统设计

鉴于压电元件既能感测压力动态变化,又能实现能量转换,采用两种压电模块设计了一款低成本、可穿戴、可自供电的步态检测系统.以矩形双晶陶瓷压电片作为压电俘能器能量转化单元,将人体运动机械能转换成电能,并利用其为步态检测系统供电;以柔性PVDF压电薄膜作为足底压力检测单元,完成人体站立、行走、跑步、跌倒等基本步态信息的检测.实...     

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.     

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%。     

热电俘能器的设计与研究

热电俘能器是一种基于赛贝克效应,利用温度差异将热能直接转化为电能的温差发电装置.热电俘能器的应用范围很广,并且自身体积小、无污染、安全系数极高等优点,对于俘能器的设计愈加受到重视,具有极高的研究价值,成为当前最热门的研究方向之一.     

复合式压电振动能量收集器的研究

为解决无线传感器网络和便携式电子产品的自供能问题,研究了基于电磁耦合的压电悬臂梁式振动能量收集器.理论分析表明,通过增加压电悬臂梁的所受外力,可以按平方关系提高其产生的发电量.即采用PZT4压电元件及铍青铜作为金属基板,以固定于基板末端的永磁铁作为质量块制作了基于电磁耦合的悬臂梁式压电振动能量收集器.实验表明,压电悬臂梁附加永磁铁后其最大输出电压增加了222％,压电悬臂梁在磁场强度分别为0T与1T的作用力下,电压值的增幅分别为0.38％和2.12％.     

超声液体环境下压电式振动能量采集的研究

针对在液体环境下工作的器件不利于直接供能这一难题,制作了一种可在液体环境下工作的振动能量采集器,采用压电悬臂梁结构在液体环境中采集水中的超声能量,在32 kHz超声频率激励下,最高获得了5.04V的输出电压.通过改变超声波与悬臂梁的相对方向及液体盐分质量分数,发现能量采集器在超声液体环境下工作的发电效率随盐分质量分数的...     

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。     

带弹性放大器的双稳态压电振动能量采集器

针对带弹性放大器的双稳态压电振动能量采集器,利用Hamilton原理和Raleigh-Ritz方法建立了压电振动能量采集器的机电耦合分布参数模型.重点分析了激励频率Ω≥1时系统质量比、刚度比、磁铁对间距等参数对系统输出性能的影响.研制了压电振动能量采集器原理样机,搭建了实验测试平台,实验测试了压电振动能量采集器的输出性能.研究结果表明带弹性放大器的压电振动能量采集器是一个非线性双自由度系统,具有两个双稳态运动区域;在激励频率Ω≥1时压电振动能量采集器需要较大的激励能量才能进入大幅值周期振动状态.     

双梁磁力压电振动能量采集器的实验和仿真

基于非线性技术改善能量采集器的能量采集效果作用,本文研究了非线性磁力耦合的双悬臂梁压电振动能量采集器,该采集器由两条不同的固有频率悬臂梁与永磁体组成.本文给出双梁磁力耦合压电能量采集器模型并建立了动力学方程式,通过实验测试获取相关参数与拟合磁力公式,数值仿真分析了双梁固有频率比1∶1.2与1∶1.5和永磁体初始间距40mm与30mm的4种结构能量采集器的电压输出性能与频率特征.根据数值分析设计实验:外激励加速度3m/s2作用下,双梁磁力结构能量采集器比单梁线性结构多一个电压共振峰;双梁固有频率比为1∶1.5比双梁固有频率比1∶1.2的电压响应带宽宽;初始磁距30mm共振峰值分别为(12Hz,39.4V)与(18Hz,13.4V)比初始磁距40mm两电压共振峰高且电压共振峰峰之间的电压输出比其他组合结构高.     

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.     

非线性压电振动能量采集器的振动特性与实验研究

为了提高线性压电振动能量采集器的输出特性,在线性压电振动能量采集器悬臂梁末端引入Duffing非线性磁力,构造了一种双稳态非线性压电振动能量采集器;综合考虑能量采集器的动态振型与轴向应变分布情况,建立了系统非线性机电耦合集总参数运动控制模型,并利用4阶、5阶Runge-Kutta算法对能量采集器的非线性振动特性进行了数值模拟;利用谐波平衡法计算获得了能量采集器的幅频响应方程,数值分析了激励频率、激励幅值以及磁铁间距等对系统非线性振动特性的影响,发现双稳态运动可以极大地提高能量采集器的频率响应范围和能量采集效率,并且能量采集器在低频、低幅值激励情况下可以产生大幅值周期运动;最后,通过实验对数值计算结果进行了验证.     

悬臂梁式压电双晶片振动能量采集器的模型与实验研究

针对悬臂梁式双压电晶片振动能量采集器的质量效应问题,通过幅值修正方法建立了能量采集器的集总参数修正模型,利用阻抗分析和导纳圆法对模型参数进行了识别,得到了采集器在简谐基础激励作用下的机电耦合输出传递函数表达式;建立了悬臂梁压电振动能量采集器的实验系统,实验与仿真分析了悬臂梁末端质量、负载电阻等对能量采集器输出特性的影响,结果表明理论仿真结果与实验结果具有很好的吻合度,证明本文模型有利于提高压电振动能量采集器输出性能的分析预测精度。     

金属电极的腐蚀特性研究

对金属电极的腐蚀特性进行了研究。实验中设计了多种不同的金属电极,通过改变电极材料、电极厚度、电极层数、腐蚀液成分及温度等条件,研究了金属电极的腐蚀特性。通过研究发现,电极的腐蚀特性跟电极材料、电极厚度、电极层数、电极的缺陷及应力、腐蚀液成分及温度等条件有关。最后设计了一种打底层金属材料为Tiw,层厚20 nm,上层金属为Au,层厚度为200 nm的金属电极,在覆盖一层光刻胶,并对光刻胶进行后烘坚膜的情况下,在常温下,用HF溶液腐蚀1 h后,SOIMEMS微结构完全释放,金属电极还十分完好。