基于弹性支撑与放大的宽频压电振动能量采集器模型与实验研究

针对刚性支撑压电振动能量采集器工作频带窄、采集效率低等问题,提出了一种基于弹性支撑与放大的宽频压电振动能量采集器.利用有限元方法建立了宽频压电振动能量采集器的机电耦合模型,通过Ansys软件仿真分析了能量采集器结构参数对其频域输出特性的影响;根据力学和电学平衡方法建立了宽频压电振动能量采集器的集总参数机电耦合运动微分方程,利用4-5阶龙格库塔算法对方程进行了时域求解,仿真分析了能量采集器在不同结构参数下的振动位移、速度、输出电压和功率等性能.研制了弹性支撑和放大的宽频压电振动能量采集器原理样机,建立了样机系统实验平台,并对理论研究结果进行了实验验证,结果表明本文所提的宽频压电振动能量采集器具有工作频带宽、输出性能高等优点,适合为微电子器件进行供电.     

折叠梁式振动能量采集器的设计

单自由度压电能量采集器因其结构特点,其有效工作频带范围较窄,难以在实际的无线传感器网络节点和可穿戴设备等领域应用。本文提出一种基于折叠梁结构的压电振动能量采集器,以提高采集器的工作带宽。首先,对折叠梁式振动能量采集器进行理论建模及有限元分析。其次,分析不同质量块的质量对所提出的能量采集器的影响。最后,对所提出的能量采集器进行实验研究。实验结果表明,在频域为0~ 100Hz,加速度为0.3g的条件下,“L”型振动能量采集器的工作带宽为1Hz,“Z”型振动能量采集器的工作带宽为3Hz,扩增为“L”型带宽的300%。其次,“Z”型振动能量采集器在0.2gn,0.25gn,0.30gn激励下的最佳匹配负载电阻分别为0.21ＭΩ,0.27ＭΩ 以及0.21ＭΩ,最大输出功率为509.122mW,921.926mW以及1331.230mW,初步验证了折叠梁式能量采集器的性能。本文所提出的折叠梁式能量采集器可以兼顾降低谐振频8.率和增加低频段的谐振阶数的需求,有效提高了能量采集效率,为待供能设备提供充足的电能。     

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.     

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...     

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.     

三稳态压电振动能量采集器的动力学建模、仿真与实验研究

为探究磁－机－压电耦合型三稳态压电能量采集器的非线性动力学行为,利用磁偶极子点荷方法计算得到了能量采集器末端受到的非线性磁力,基于欧拉－伯努利梁理论和拉格朗日方程建立了三稳态压电振动能量采集器的分布参数机电耦合动力学模型,仿真分析了系统参数(d、dg)对能量采集器的势能、磁力以及非线性动力学输出特性的影响,研制了磁－机－压电耦合型三稳态振动能量采集器原理样机,搭建了样机实验平台,实验验证了理论模型与仿真结果的正确性。研究结果表明:适当调整d后和dg可使压电振动能量采集器分别作单稳态、双稳态和三稳态运动,其中三稳态运动存在3个势能阱,势能阱的深度和宽度均小于双稳态压电振动能量采集器的势能阱深度和宽度,这有利于提升振动能量采集器的工作频带和采集输出效率。     

三稳态压电振动能量采集器的非对称势能阱产生机理及其动力学特性研究

为了揭示三稳态压电振动能量采集器非对称势能阱的产生机理及其对采集器动力学特性的影响机制,考虑采集器压电悬臂梁大扰度几何非线性和末端磁铁重力效应,利用能量法和Hamilton原理建立了三稳态压电振动能量采集器的非线性动力学模型.仿真研究了几何非线性和磁铁重力对系统静态解分岔、势能阱特性及其动力学响应特性的影响规律,结果表明几何非线性和磁铁重力使压电振动能量采集器产生附加的三阶和五阶非线性刚度及重力势能,导致非对称势能阱的产生.非对称势能阱不仅有利于提高三稳态压电振动能量采集器的有效工作频带和能量转换效率,还可以降低采集器对环境振动强度的要求使其在较低激励加速度下可以进入高能轨道运动.实验验证了理论仿真结果的正确性.     

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...     

基于谐波平衡的三稳态压电振动能量采集器及其接口电路耦合动力学特性分析

压电振动能量采集器是解决低功耗电子产品无线自供电问题的关键器件,其与非线性接口电路之间的耦合动力学特性是影响采集器转换输出效率的关键因素,需深入研究解决。以非线性三稳态压电振动能量采集器及非线性AC-DC整流滤波接口转换电路为对象,建立非线性耦合动力学模型,基于谐波平衡方法求解系统稳态解及稳定性判别矩阵——雅可比矩阵。仿真分析了激励幅值、频率和耦合系数等参数对系统的影响机理。实验证明了仿真分析结果的正确性。研究结果表明选取适当的参数有利于提高系统的有效带宽和输出功率。在适度范围内增加耦合系数和负载电阻,可以增加系统的有效输出功率和有效频带宽度但过大时会抑制振动幅值和频带宽度,导致能量转换效率降低。     

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。     

双稳态压电振动能量采集器的时-频域动力学特性及实验研究

为揭示双稳态压电振动能量采集器系统参数对其时－频域动力学特性的影响,利用等效磁荷法和拉格朗日方程及基尔霍夫电流定律分别建立了双稳态压电振动采集器的非线性磁力模型和系统分布参数动力学方程。基于谐波平衡法对双稳态压电悬臂梁振动能量采集器的动力学响应特性进行了解析,并分别从频域和时域角度仿真分析了系统参数对采集器动力 学响应特性的影响规律,实验验证了仿真结果的正确性。研究结果有利于对双稳态压电振动能量采集器的结构优化设计和综合性能的提高。     

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.     

基于MEMS的压电微能量采集器的电路研究与测试

微能量采集技术是利用某种效应把周围环境中的某种形式的能量转换成电能,为嵌入式系统和无线传感网络中的MEMS器件供能。本文探讨了一种基于MEMS技术的压电型微能量采集器。微能量采集器工作于低频环境,当给其振动激励信号时,它能够把机械能转换为电能。但是能量采集器直接输出的是交流电压,一般不能直接为器件供能。所以,利用AC-DC电路把交流转换为直流,实现为MEMS器件供能。文中给出了微能量采集器的测试电路,同时给出了测试结果,论证了在低频环境下这种微能量采集器的可行性。     

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。     

压电振动能量采集器的力电耦合模型及其功率优化*

为提高传统压电振动能量采集器集总参数模型的性能预测精度,考虑悬臂梁的振型信息与轴向应变分布情况,提出了一种改进的力电耦合模型,该模型引入无因次幅值修正因子,通过曲线拟合方法确定了修正因子与振型函数和振动幅值之间的关系表达式;利用Rayleigh-Ritz模态分析法确定了力电耦合模型中的集总等效参数(如质量、刚度等),并根据弹性动力学原理建立了能量采集器的运动控制方程,得到了稳态时能量采集器的力、电输出响应表达式;最后,利用改进的模型对能量采集器的负载电阻和输出功率进行了优化,得到了负载短路和负载开路时能量采集器的最优输出特性。仿真结果与实例对比验证了提出模型的正确性,表明改进的力电耦合模型具有较高的预测精度。     

基于圆柱梁的多向驰振风能采集器仿真分析

为了实现多向风能的采集,提出一种基于压电圆管和末端钝体的驰振风能采集器。通过多物理场耦合仿真分析了采集器模态以及压电圆管输出性能与振动频率、电阻及激振力的关系;模态及输出特性仿真结果显示,方柱钝体采集器的一阶和二阶固有频率均为14.26 Hz,工作在固有频率附近时可获得较高输出;存在最优负载电阻,为3.16 MΩ;压电圆管输出电压随激振力的增加而增加。方柱钝体的二维流场仿真结果显示,在各角度下,方柱结构均能受到相应横向气动力作用,实现多向风能的转换。三维流固耦合仿真分析结果显示,由于圆柱梁的对称特性,采集器受到二维平面不同方向风作用时均能产生振荡,验证了采集器的多向性能。     

基于 ＦＮＯＶ￣ＭＰＰＴ 的多压电输入无整流桥的能量采集电路的研究

环境能量俘获中压电振动能量采集的接口电路设计已成为近几年研究的热点之一。串联同步开关电感S-SSHI(Series Synchronous Switch Harvesting on Inductor)接口电路作为一种常用的能量采集接口电路。只有当负载阻抗与压电元件(PZT)输出阻抗匹配时,才能获得最大能量转换效率。针对以上问题,本文提出了一种无分时开路电压法的最大功率跟踪Fractional Normal-Operation Voltage Maximum Power Point Tracking (FNOV-MPPT)控制电路用于S-SSHI接口电路的最大功率跟踪,与传统的分时开路电压法相比,无需断开PZT与负载端的连接,在S-SSHI接口电路正常工作期间进行最大功率跟踪,其效率最高可达97%。采用的极值检测电路只用四个三极管和一个检测电容,降低了电路功耗。同时本文所提出的电路具有很好的扩展性,可以通过一个FNOV-MPPT控制电路的方式进行多PZT能量同时采集。     

带谐振腔的微型压电风能采集器

为了提高基于风致振动机理的微型风能采集器在低速风作用下的输出功率,提出一种带谐振腔的微型压电风能采集器结构,该采集器由谐振腔和振动梁构成,振动梁由压电梁和柔性梁组成。谐振腔可以改变振动梁附近的流场分布,扩大作用于振动梁的动风载荷,从而提高了采集器在低速风作用下的输出功率。实验分析了风速、压电梁长度和柔性梁长度对采集器输出性能的影响。当谐振腔尺寸为64 mm×22 mm×14 mm,振动梁长度和宽度分别为38 mm和6.4 mm时,微型风能采集器在17 m/s风载荷作用下的最大输出功率达到1.28 mW。     

基于八悬臂梁-中心质量块结构MEMS压电振动能量采集器

高能量密度输出、低频范围响应、环境适应性强的自供电振动能量采集器已成为微能源技术领域的一个重要发展方向。提出一种d31型工作模式下MEMS压电式振动能量采集器,设计八悬臂梁-中心质量块结构代替传统的单悬臂梁结构,利用溶胶-凝胶（Sol-Gel）技术在每个悬臂梁上异质集成制备锆钛酸铅（Pb（Zr0.53Ti0.47）O3,PZT）压电功能厚膜层,通过MEMS工艺和引线键合技术完成器件础结构制造。输出性能测试结果表明,器件一阶谐振频率为41 Hz,3 gn加速度激励下输出电压峰峰值为264.00 mV;在器件两端加载3.00 MΩ负载时输出功率最大,为0.72 nW。     

等强度梁式压电振动能量收集器特性研究

为了提高微型悬臂梁式压电振动能量收集器的压电材料利用率,增强其能量转换效率,基于等强度梁理论设计了一种微型压电式振动能量收集器.分析了该能量收集器的力学特性及机电耦合特性,并且与等截面悬臂梁式振动能量收集器进行了对比.研究结果表明:微型等强度梁式压电振动能量收集器的固有频率低、表面应力分布合理、压电材料利用率高、能量输出密度大,其性能明显优于等截面梁式压电振动能量收集器.