压电/磁电复合式MEMS振动驱动微能源的研究

为了满足无线传感网络节点对供电电源的自供电、低功耗、持续稳定供电的要求,研究了一种可以将环境中机械能转化为电能的MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源,结合压电转换与磁电转换把振动能转换为电能。建立数学模型,用有限分析软件Ansys12.0对不同尺寸的四悬臂梁-中心质量块结构进行力学特性分析,并对加工出的器件进行性能测试。测试结果表明,谐振频率为290Hz下,器件输出电压峰峰值随振动加速度的增加呈线性增加,1 m/s2和6 m/s2激励下有效输出电压分别为61mV和324mV,有望为无线网络传感节点提供性能高、寿命长、自供给的供电电源。     

供能于无线传感器网络的微型振动发电机结构性能研究

应用微机电加工技术制造的振动发电机可以无限、持续地为无线传感器网络提供能源。为了提高发电能力,通过有限元仿真与实验分析了单压电片型式、双压电片并联型式和双压电片串联型式振动发电机的结构参数对发电能力的影响规律。结果表明,厚度比小的双压电片串联型式发电机输出开路电压较高;存在某一最优负载,在给定的激励频率下,使得输出功率最大;相同材料、结构参数下,双压电片串联和双压电片并联型式发电机的输出功率基本相同且高于单压电片型式发电机。     

升压型DC/DC MAX756应用研究

针对无线传感器网络节点的供电问题,应用升压型DC/DC MAX756设计了具有输出电压选择与电池监视功能的无线传感网络节点供电单元。给出了供电单元的原理图设计与印制电路板的设计要点;得到了供电单元的转换效率与输入电压的关系,转换效率随输入电压升高而升高,随输出电流的增大而增大;测试了供电单元的负载瞬态响应能力。结果显示,负载发生突变时输出电压有较大噪声,说明电源的滤波设计需要改进。     

基于无线传感器网络的压电能量收集技术

随着物联网的发展,多节点的传感器供电成为关键问题,由于环境中普遍存在低频振动,采用了压电悬臂梁结构,建立压电悬臂梁结构的电学模型,并进行了ANSYS的仿真,仿真得到电压76 V,约等于模型的理论值,验证了模型的正确性。进而继续研究了压电悬臂梁几何尺寸对固有频率的影响,振子越长,质量块越长,频率越低。从而收集低频振动环境中的能量,为传感器供电装置提供了设计的理论依据。     

压电驱动器的电致振动特性研究

旨在分析压电驱动器的电激励振动特性。以双晶压电悬臂梁为对象,基于能量法和热力学平衡方程推导了压电悬臂梁在电压激励下的强迫振动微分方程。利用自行搭建的电激励振动试验系统,测试了不同幅值交流电压激励下压电梁的谐响应和瞬态响应。通过试验验证了理论分析的合理性,讨论了激励电压和阻尼对谐响应和瞬态响应的影响。结果表明：压电悬臂梁的谐响应呈非线性,具有弹簧渐软特性;压电梁的共振频率随激励电压幅值的增大而减小,在6V、9V、12V交流电压激励下,压电梁的共振频率分别为55.6Hz、54.8Hz、54.4Hz;当激励电压频率等于压电梁的固有频率时,其横向振幅达到峰值;当激励电压频率逐渐远离压电梁的固有频率时,其振幅则迅速降低;激励电压频率接近共振频率时梁会发生“拍振”现象;阻尼对压电梁的共振抑振作用最为明显。     

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。     

新型无线传感器网络节点供电方案

工业现场对振动信号等快变量进行采集时,需要对无线传感器网络节点进行在线供电.通过分析开关噪声对无线传感器网络节点通信质量的影响,并结合传感器网络的工作特点,给出无线传感器网络供电方案的设计要求.针对开关噪声的宽频谱特点,提出适用于无线传感器网络的供电方案,实验表明:该供电方案可有效消除电源噪声.     

MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源的设计

在单一效应的MEMS振动驱动微能源的基础上,提出了一种MEMS压电-磁电复合振动驱动微能源器件。该微能源由八悬臂梁-中心质量块结构和永磁铁两部分组成,环境振动使中心质量块振动,PZT压电敏感单元由于压电效应产生电势差;同时中心质量块上集成的高密度线圈切割磁感线产生感应电动势,将压电转换与磁电转换相结合把振动能转换为电能。建立了该结构的数学模型并用有限分析软件Ansys12.0对该器件进行力学特性分析,最后对加工出的微能源进行性能测试。测试结果表明,该微能源谐振频率为8 Hz,易与环境发生共振;在共振条件下,施加1 gn 的加速度,器件压电发电开路输出电压峰峰值达154 mV,磁电发电开路输出电压峰-峰值达8 mV,有望为无线传感网络节点提供稳定的能源。     

采煤机无线监测装置压电换能元件参数匹配分析

考虑到压电自供电装置中压电振子的几何参数直接影响其共振频率,从而影响压电自供电装置的发电量,因此需要根据环境激励频率设定最佳的压电振子的几何参数,对基于压电自供电的采煤机状态无线监测装置进行研究,通过理论分析、仿真以及实验方法对对不同悬臂梁结构在不同外界激励作用下的发电量进行研究.研究结果表明:悬臂梁自由端的质量块质量以及悬臂梁长度越大,悬臂梁压电结构的固有频率越低;随着悬臂梁厚度的增加,悬臂梁压电结构的固有频率逐渐增大.以此为依据对采煤机不同监测位置的装置选取最佳匹配的压电结构几何参数,并通过采煤机工作状态监测实验验证了本文研究的压电自供电无线监测装置的可行性.     

基于压电自供电的采煤机状态无线监测装置

考虑到压电自供电装置中压电振子的几何参数直接影响其共振频率,从而影响压电自供电装置的发电量,因此需要根据环境激励频率设定最佳的压电振子的几何参数,本文对基于压电自供电的采煤机状态无线监测装置进行研究,通过理论分析、仿真以及实验方法对对不同悬臂梁结构在不同外界激励作用下的发电量进行研究。研究结果表明：悬臂梁自由端质量块质量以及悬臂梁长度越大,悬臂梁压电结构的固有频率越低;随着悬臂梁厚度的增加,悬臂梁压电结构的固有频率逐渐增大。以此为依据对采煤机不同监测位置的装置选取最佳匹配的压电结构几何参数,并通过采煤机工作状态监测实验验证了本文研究的压电自供电无线监测装置的可行性。     

一种宽频的磁式压电振动能量采集器

基于环境能量采集的压电振动能量采集器为无线传感器和微机电系统的长期供能提供了一种有效解决方案.目前研制的压电式振动能量采集器存在工作频率高,且频带窄的问题.给出了一种通过磁力的引入使其在低频下工作的、宽频的压电振动能量采集器,并搭建了测试系统对器件进行分析测试.在压电悬臂梁上放置永磁铁取代传统的质量块,同时在悬臂梁的上...     

双晶悬臂梁式压电换能器建模与结构参数分析

针对如何提高悬臂梁压电发电效率的问题,通过对压电换能器进行力学分析并建立了一个电路等效模型,从而得到了悬臂梁谐振角振频率和输出功率的计算公式。通过代入数值进行计算仿真得出结构参数对输出功率的影响的曲线。通过分析得出:在设计悬臂梁的结构参数时尽量在结构强度允许的条件下选择更重的附加质量块,电极长度和梁的长度比值为0.8,压电陶瓷和金属层厚度比为0.25,能提高换能效率等结论。     

An innovative piezoelectric energy harvester using clamped–clamped beam with proof mass for WSN applications

In this paper a miniature piezoelectric energy harvester (PEH) with clamped–clamped beam and mass loading at the center is introduced which has more consistency against off-axis accelerations and more efficiency in comparison to other cantilever PEH’s. The beams consist of different layers of Si, piezoelectric, and insulators based on MEMS technology that vibrates by applying an external force to the fixed frame. Due to beam vibration, variable stress is applied to the AlN piezoelectric and a potential difference is created at the output terminals. AlN is deposited on clamped–clamped beams in such a way that produce more stress points which cause more power to be generated in comparison to other cantilever beam PEH’s with about same dimensions. A partial differential equations (PDE) describing the flexural wave propagating in the multi-morph clamped–clamped beam are solved as theoretical calculations for inherent frequency estimation and is confirmed by simulation results. The obtained inherent frequency is 42 Hz which with 1 g (g = 9.81 m/s²) acceleration produces 4 V and 80 µW maximum electrical peak power that can be used in the node of low-power consumption wireless sensor node for wireless sensor network (WSN) applications.

     

Design, simulation and fabrication of piezoelectric micro generators for aero acoustic applications

Energy harvesters based on acoustic vibration sources can generate electrical power through piezoelectric transduction. Significant miniaturization of electro mechanical devices using MEMS fabrication technology has encouraged the creation of portable, miniature energy harvesters. A niche application is aero acoustics, where wasted, high dB and high frequency sound generated by aircrafts are transformed into useful energy. Having self-powered, miniature acoustic sensors allows noise detection monitoring systems to be self-sustaining. This paper illustrates an Aluminium doped Zinc Oxide (AZO) cantilever beam on stainless steel substrate with a top copper electrode. Design and finite element modelling of the design was conducted using Coventorware™. The AZO piezoelectric thin film was RF-sputtered on the stainless steel substrate. Characterizations were performed using X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) to evaluate the piezoelectric qualities and surface morphology, respectively. Experimental measurements indicate approximately 345.4 mV AC output voltage (open circuit voltage) is produced at vibration frequencies of 30 kHz. This is in accordance with the Coventorware™ simulation results. This measured power level is sufficient to power a miniature wireless acoustic sensor nodes to monitor noise generated by aircrafts.     

主动约束层阻尼梁有限元建模与动态特性研究

基于弹性、粘弹性和压电材料的本构关系,利用Hamilton原理,推导了主动约束层阻尼梁的有限元动力学模型．结合压电材料的机电耦合特性,采用自感电压的位移反馈,研究了主动约束层阻尼梁的闭环控制特性．求解了主动约束层阻尼简支梁的动态特性如固有频率、模态损耗因子及频率响应特性等．对被动控制、主动控制和主被动混合控制的控制效果进行了分析比较．研究了粘弹性层与约束层厚度等参数对减振控制效果的影响．