基于双ZnO薄膜单元并联结构的微型压电振动能量采集器(英文)

报道了一种基于ZnO压电薄膜双单元结构的压电式微型振动能量采集器,其中的双压电元件是并联结构.采用射频磁控溅射技术制备ZnO压电薄膜,同时,该压电式振动能量采集器采用微加工技术制作.测试表明该器件的共振频率为1 300 Hz,基于ZnO薄膜双单元并联结构的压电式振动能量采集器比起具有同样尺寸的传统型压电振动能量采集器有更高的输出性能.在频率为1 300 Hz,加速度为10 m/s2的外界振动激励下,该压电式振动能量采集器在1 MΩ负载电阻上产生的电压为2.06 V;当负载电阻为0.6 MΩ时,输出功率最大为1.25μW.     

磁力耦合压电振动能量采集器研究

提出一种基于汽车减振器的磁力耦合压电振动能量采集器,可以采集更多的振动能量,并减少振动引起的冲击力。该设计中包括永磁铁阵列和弯张压电单元阵列。磁力耦合作用将不规则的往复振动转换成单向磁排斥力作用,并通过弯张结构放大作用于压电片。建立磁-机-电耦合模型并进行实验。实验结果表明:在以固定频率f=12 Hz、13 Hz和15 Hz输出时,增加随机振动信号的幅值,压电俘能器所俘获的电压幅值也随着增大,且输出的电压峰值与振动信号幅值峰值点一致;同时发现幅值相近时,在振幅可视为相等情况下,振动信号频率不同,电压幅值维持不变,电压信号频率改变。该设计结构紧凑,可以集成于汽车减振器中而不显著增加器件体积。     

宽频压电振动能量采集器的力-电输出特性分析

压电振动能量采集器是一种新型的力(加速度)-电耦合转换输出器件,为了提高单自由度悬臂梁压电振动能量采集器的输出功率和工作频带,通过在单自由度悬臂梁压电振动能量采集器模型基础上增加一个弹性放大器的方法,构造形成了具有两自由度的宽频压电振动能量采集器。利用ANSYS有限元软件建立了宽频压电能量采集器的有限元力-电耦合模型,数值分析了模型中各参数(如质量比、阻尼比以及负载电阻等)对系统力特性(速度、加速度等)和电输出特性(电压、电流、输出功率等)的影响。研究结果表明：大的质量比和小的阻尼比能够提高压电悬臂梁能量采集器的输出功率并拓展其工作频带;短路谐振状态下的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电流,而开路谐振状态的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电压,优化后的短路谐振和开路谐振最大输出功率分别达到4386.5 mW/g2和4263.4 mW/g2。频带宽度达到10 Hz,且是SDOF系统的5倍。     

双自由度压电振动能量采集器的力-电输出特性分析

在单自由度悬臂梁压电振动能量采集器模型基础上增加一个弹性放大器,构造形成了具有双自由度的压电振动能量采集器。利用ANSYS有限元软件建立了双自由度压电能量采集器的有限元力-电耦合模型,数值分析了模型中各参数(如质量比、阻尼比以及负载电阻等)对系统力特性(速度、加速度等)和电输出特性(电压、电流、输出功率等)的影响。研究结果表明:大的质量比和小的阻尼比能够提高压电悬臂梁能量采集器的输出功率,并能拓展其工作频带;短路谐振状态下的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电流,而开路谐振状态的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电压。研究结果还表明:对于尺寸为50.8mm×31.8mm×0.26mm的悬臂梁基板和50.8mm×31.8mm×0.14mm的压电晶体构成的双自由度系统,在基础加速度40m/s2、频率38Hz的外界振动激励下,系统在负载电阻短路和开路状态下的最大输出功率分别达到4 386.5和4 263.4mW,是单自由度系统的10倍。双自由度系统的频带宽度达到10Hz,是单自由度系统的5倍。     

基于电镀铜平面弹簧的微型电磁式振动能量采集器

采用微机电系统加工技术制作出一种结构新颖的微型电磁式振动能量采集器,它可以把周围环境中的振动能转换为电能.整个结构主要由圆形SmCo28永磁体、铜平面弹簧和双层线圈构成.采用Uv-LIGA技术和电镀技术制作铜平面弹簧和双层线圈,并与永磁体一起组装成试验样机,其体积大约为200mm3.Ansys有限元仿真结果表明共振结构的一阶固有频率为129.3Hz.对组装好的电磁式振动能量采集器试验样机的初步测试表明:在加速度为3g(g=9.8m/s2)的外界输入冲击下,负载两端的交流电压峰峰值为32.5mV.     

L型压电振动能量采集器的有限元分析与特性仿真

单频悬臂梁式压电振动能量采集器存在工作频带窄、采集转换效率低等问题。通过在单频悬臂梁式压电振动能量采集器的水平悬臂梁末端增加一垂直悬臂梁,构造了一种L型宽频压电振动能量采集器;运用有限元法建立L型振动能量采集器的有限元分析模型,仿真分析了L型振动能量采集器的结构参数对其前两阶模态频率的影响,得到了结构最优尺寸。利用Hamilton原理建立了L型能量采集器的机电耦合分析模型,对其振动特性和电输出特性进行了数值仿真,结果表明L型结构能够提高能量采集器的工作频带和采集效率。     

聚丙烯压电驻极体的振动能量采集研究

以线性聚丙烯(PP)为原材料,经压缩气体膨化处理和电晕极化处理后,使其具有压电效应,并将其应用在振动能量采集器中。结果表明,PP压电驻极体在厚度方向上的弹性模量和机械品质因数(FOM,d33·g33)分别为1.7 MPa和8.4GPa~(-1),利用面积为3.14cm~2单层膜进行能量采集,当振子质量为25.6,33.7和57.7g时,其共振频率分别为2 300,2 000和1 800 Hz,在各自的匹配负载条件下,获得的输出功率分别为10.1,13.2和16.9μW/g~2。将两片PP膜电学串联,当振子质量为33.7g时,在共振频率1 400Hz和匹配负载4.3 MΩ的条件下,可以获得的输出功率为15μW/g~2。     

多稳态压电振动能量采集器的动力学模型及其特性分析

提出了一种双线性弹性元件耦合的多稳态压电振动能量采集器,利用线性弹性元件的大变形引起采集器结构几何构型的变化,使采集器产生单稳态、双稳态和三稳态等非线性振动特性,达到提高能量采集器输出性能的目的。建立了双线性弹性元件耦合压电振动能量采集器的非线性恢复力模型,基于该模型,利用Rayleigh-Ritz模态分析法和能量守恒原理建立了能量采集器的集总参数机电耦合动力学模型,通过对动力学模型无量纲化处理后,仿真分析了系统参数对能量采集器的静力学特性(如非线性恢复力、势能、静态平衡点及其分岔)和动力学特性(振动位移、速度、相图、采集电压等)的影响。有限元计算结果验证了该仿真分析结果的正确性。研究结果表明:系统参数α=β≠0时能量采集器表现出光滑连续的单稳态、双稳态和三稳态等动力学特性,其中双稳态和三稳态振动时的能量采集输出功率比线性能量采集器高。     

三向压电悬臂梁振动能量采集器的研究

为实现空间各方向振动能量的获取,设计了一种压电悬臂梁式三维振动能量采集器。系统动力学建模以及势函数和非线性磁铁力的分析,揭示了采集器通过双稳或单稳振荡特性而有效获取空间各方向振动能量的机制。仿真模拟和实验测试结果表明,对于一定带宽和强度的随机激励,系统至少存在一个最优的初始磁铁间距,可在两个坐标轴方向同时实现最优机电能量转换,同时保证第三个方向上的次优。对于实际振动环境,确定一个最优的初始磁铁间距,可实现高效的、结构间距无需实时调整的振动能量获取。     

微型电磁式振动能量采集器的研究进展

随着低功耗无线传感网络和微机电系统的迅速发展,供电问题正成为它们进入实用化、产业化的一大障碍。现有的一个解决方案是微型电磁式振动能量采集器。首先给出电磁式振动能量采集器的工作原理、物理模型和设计原则,然后详细介绍目前国内外各研究小组研制的电磁式振动能量采集器的几何模型、结构参数、输出结果和技术特点,最后简单分析电磁式振动能量采集器面临的困难、挑战和发展趋势。     

电磁-压电复合式机械能量收集器

微型能量收集技术是移动智能终端和物联网领域内的一项重要技术.多种换能方式和大量的能量收集器得到了许多的研究和报道.针对机械能采集,本文提出了一种基于磁悬浮的电磁-压电复合式高效能量收起器.该器件体积小、重量轻,尺寸为Φ47×27mm,重量仅有80g.电磁发电单元输出的开路电压分别为8.1V,4.2V;输出功率分别为42mW和35mW.压电发电单元输出的开路电压分别为60V,40V;输出功率分别为142mW和140mW.复合式能量采集器的平均输出功率为17.71mW,对1 000μF电容充电功率为110.39mW,复合后的衰减系数为53.45%.该复合式能量收集器可以驱动温度传感器.本文中设计的复合能量收集器对于物联网智能终端的自供电工作方案的实现具有重要的现实意义.     

悬臂梁压电振动能采集器的集总参数模型和实验验证

压电振动能采集器是无线传感节点的一种理想电源,近年来受到广泛关注．考虑质量块和逆压电效应影响,建立了在基础激励作用下的悬臂梁压电振动能采集器的集总参数运动微分方程,得到了采集器固有频率的解析表达式．引入了2个反映压电层连接方式的常数,建立了对单压电层、双压电层并联和双压电层串联的悬臂梁压电振动能采集器均适用的耦合电路方程．求解以上方程,得到了简谐基础激励下的输出电压表达式．实验结果表明,固有频率和输出电压表达式的相对误差分别小于10％和20％．     

非对称、变势能阱三稳态压电振动能量采集器特性研究

为了提升压电振动能量采集器的综合输出性能,提出了一种具有非对称、变势能阱的三稳态压电振动能量采集器,它由一个末端带磁铁的压电悬臂梁以及一对可随弹簧拉伸和压缩而变动的外部磁铁构成。外部磁铁固定在水平弹簧自由端并与基座相连,且能够随着弹簧压缩和拉伸发生水平移动和转动,从而使系统产生非对称且随时间变化的势能阱。基于点磁荷法和拉格朗日函数,建立了压电振动能量采集系统的非线性磁力模型和分布参数动力学模型;仿真分析了磁铁间距离以及加速度和弹簧刚度等参数对系统势能及其动力学响应特性的影响规律。研究结果表明：弹簧拉压是产生非对称、变势能阱的主要因素;弹簧刚度使非对称势能阱的深度变浅,使采集器更易进入大幅阱间振动状态;随着弹簧刚度的增大,采集器输出电压随之先增大后减小。在低激励振幅下,非对称、变势阱能量采集器比传统对称势阱采集器有更广的频带宽度和更高的采集效率。     

基于移动传感的桥梁自动模态参数识别

提出一种基于移动传感的桥梁自动模态参数识别方法。移动传感单元包括一个动力车和一个刚性小拖车,动力车搭载了数据采集和传输设备以及北斗授时模块,刚性拖车搭载加速度拾振器,动力车与拖车的连接具有良好的隔振效果,有效获取桥梁结构本身不同位置的振动信号。模态试验时,移动传感单元依次自动获取不同测点的结构振动信息,通过北斗授时模块实现与固定参考单元获取的振动信息相位时间同步。基于随机子空间的自动模态参数识别方法可以快速从固定参考单元与移动传感单元获取的振动信息中提取结构模态信息。该方法可以获取较高的空间分辨率结构振动信息,进而获取准确的结构振型信息。将移动传感应用于一座下承式系杆拱桥,取得了优良的模态识别效果。     

共振频率可调式非线性压电振动能量收集器

振动能量回收技术能够将环境中的机械振动能转换成电能,进而为微功耗装置供电,具有良好的应用前景。设计了一种利用压电材料的新型振动能量收集器,该机电耦合结构由一对非对称压电悬臂梁组成,悬臂梁末端固定有永磁体,利用永磁体产生的非线性力,实现了悬臂梁共振频率与外界激振频率的匹配调节。提出了该结构的理论模型,借助Matlab/Simulink数值分析软件对理论模型进行了仿真分析,并通过实验进行了验证。实验结果表明外界激励加速度幅值为3 m/s~2的时,结构即能实现较大频带范围内的频率匹配调节,频带范围不低于6.5Hz,最大回收功率不低于2 mW。     

小尺度压电式振动能量采集器的研究现状

采集环境振动能量为无线传感器等电子产品供电,是这些电子产品摆脱电池供电束缚而超长时间服役的重要策略。在此应用需求推动下,近年来利用压电膜制备小尺度振动能量采集器成为了科技工作者们广泛关注的研究热点。本论文首先从压电膜的种类出发,分析了含铅钙钛矿结构、AIN和ZnO以及新型无铅压电膜三大类振动能量采集器的发展现状;随后从器件的几何构造出发,归纳了低频点和宽频带两大类器件,并讨论了它们各自的发展现状。     

用于超低频振动能收集的压电弹簧摆结构设计与实现

低频振动能量在环境中普遍存在,如何高效收集却始终是一个难题。设计了一种基于普通金属夹的压电弹簧摆结构,由于摆动固有频率仅与软件仿真摆长和重力加速度有关,因此结构共振频率能够较好地匹配环境低频振源,进而高效地将其转化为电能。利用有限元仿真软件仿真并讨论了压电元件的优化布置方案,建立了结构动力学方程,最终搭建实验平台进行了理论验证,性能分析和能量收集器的自供电演示。实验结果表明,该压电弹簧摆结构在超低频条件下(2.03Hz,0.26g),回收功率能够达到13.29mW,具有很高的低频振动能量收集性能。     

碰撞式微型压电风能采集器实验研究(英文)

为提高基于风致振动机理的微型风能采集器在低风速下的输出功率,设计了一种新型的碰撞式微型压电风能采集器.采集器主要由圆柱形钝体、铰接分隔板、压电悬臂梁和支架组成.通过铰接分隔板和压电悬臂梁的碰撞有效降低了采集器的工作风速.加工制作了采集器的原理样机并在小型风洞内进行了实验测量.通过实验发现分隔板与压电片横向间距对采集器的工作风速和输出功率有很大的影响.压电悬臂梁自由端添加质量块可以提高输出功率.风速15 m/s、外接200 kΩ优化负载时,采集器最大输出功率为64μW.     

Z型梁结构压电式能量采集性能分析

振动能量采集能够将外部环境中的振动能转化为电能,具有绿色可持续、节能环保、设计灵活等优势,在工业、生物、医学、军事等领域具有广阔的应用前景.为使振动型能量采集器适应更为复杂多变的工作环境,提高其采集功率和工作频带,提出一种多梁结构-Z型梁结构压电式能量采集器.理论分析了该采集器的固有振动特性,并通过有限元分析了结构尺寸...     

用于振动能量收集的MEMS压电悬臂梁

本文介绍了一种MEMS悬臂梁器件,将环境中的振动机械能转化为电能.该悬臂梁的主体材料为单晶硅,其上覆盖一层用Sol-Gel法制备的PZT压电材料,利用压电材料的正压电效应实现机电能量的转换.论文给出了悬臂梁式振动能量收集器的一个简单理论模型.器件采用(110)硅基片,有利于通过湿法腐蚀制备质量块.质量块可以用来降低器件的谐振频率,并提高输出电功率.尺寸参数为3600μm×270 μm的器件样品的测试结果表明,在其谐振频率1673Hz,振幅为11nm的振动条件下,该器件的最大输出功率大于1nW,即0.11 μW/cm2.