气体耦合式宽带/低频压电振动俘能器

为实现低频/宽频带/高强度振动能量回收及基于能量回收的主动振动控制,提出了一种气体耦合式振动俘能器。介绍了俘能器的系统构成原理,对其能量回收特性进行了理论与试验研究。理论分析结果表明,俘能器的发电能力及特性是由环境振动强度、气缸/压电振子的结构与性能参数、系统质量/背压等多种要素共同决定的;其它条件确定时,存在使电压最大的最佳频率以及使俘能器工作与否的最低临界频率;增加背压/质量可不同程度地提高俘能器的输出电压和有效带宽、降低临界频率,但对最佳频率无明显影响。采用Ф60×0.9mm3双晶压电振子及Ф16×100mm3气缸制作了样机,测试了不同背压及质量时俘能器的电压-频率特性。结果表明,俘能器最佳/临界频率、最大输出电压及有效带宽等与背压/质量关系均与理论分析结果相吻合。不同条件下所测得的最佳频率均为55Hz左右;背压0.4 MPa、质量10kg时所获得临界频率/最大输出电压/对应25V输出电压有效带宽为9Hz/88V/72Hz,分别为质量2.5kg时的0.36倍、2倍和2.2倍。     

双磁耦合式压电振动俘能器的性能分析与试验

为满足远程监测系统的自供电需求,针对现有压电振动俘能器存在的问题,提出一种双磁耦合式压电振动俘能器,通过将压电振子对称安装于辅助悬臂梁两侧构成组合换能器,使压电片在俘能过程中主要受压应力。经建模仿真,获得了定磁铁间距与水平耦合间距对系统势能的影响规律,以及不同激励条件下的系统动力学响应特性。为验证俘能器原理的可行性与仿真结果的正确性,制作了样机并测试了不同条件下俘能器的输出特性。结果表明：激励频率对俘能器输出波形影响较大;选取适当的定磁铁间距和水平耦合间距(11 mm≤d≤12 mm,10 mm≤l≤16 mm),可有效降低俘能器固有频率、拓宽频带且幅频特性曲线较为平坦,进而提高了俘能器的环境适应性和可靠性;激励频率为12 Hz、16 Hz及20 Hz时,试验所获得的最大输出功率分别为1.27 mW、2.88 mW及5.31 mW,其所对应的最佳匹配电阻约为70 kΩ。     

换向激励式压电振动俘能器

为提高在低频、宽带、高强度及大振幅振动环境下的可靠性,提出一种换向激励式压电振动俘能器,它由拾振器和换能器组成。换能器的振动方向垂直于拾振器振动方向（环境振动方向）,振动方向的转换通过磁力换向结构实现,换向结构使响应振幅不随外部激励的增加而一直增加,从而提高可靠性。建立了俘能器的动力学模型,通过数值仿真和实验获得了相关参数对其输出特性的影响。仿真和实验结果表明：激励频率小于20 Hz时,该两自由度系统存在两阶谐振频率使输出电压达到峰值,一阶为拾振器谐振频率,二阶为换能器谐振频率。随着拾振簧片长度和拾振质量的增加,一阶谐振频率升高,所对应的输出电压基本不变;二阶谐振频率基本不变,所对应的输出电压逐渐升高;工作频带变宽。当外部激励振幅达到阈值时,换能器的响应振幅被有效控制,输出电压不再随之增加,最佳负载电阻为540 kΩ,此时输出功率最大为0.4 mW。实际应用中可通过改变俘能器的结构参数调整谐振频率及输出电压,将响应振幅控制在安全区域内,以适应低频、宽带、高强度及大振幅的工作环境。     

液压颤振器的流固耦合振动研究

介绍了一种液压颤振器的结构和工作原理,采用ANSYS Workbench、CFX和AMESim联合仿真,对颤振器流固耦合振动进行了CFD数值模拟,分析了颤振过程中的耦合场。实验研究发现,单作用颤振液压缸的流固耦合振动与双作用液压缸颤振结果有较大区别。     

微型压电单晶俘能器研究

建立了一曲梁压电单晶MEMS压电俘能器的分析模型.利用曲梁理论建立该矩形截面梁的动力学方程.采用ANSYS软件对该曲梁的结构参数进行了初步的分析.分析结果表明压电曲梁的第一阶谐振频率与其结构尺寸之间存在较复杂的关系.该仿真结果可为压电俘能器的设计提供参考.     

单磁耦合式压电振动俘能器的建模与试验

为实现高可靠性及宽频带振动能量的回收,提出了一种单磁耦合式压电振动俘能器.建立了俘能器的动力学方程,采用COMSOL仿真分析了磁铁水平耦合距离d、竖直耦合距离h及耦合角α对势能的影响;设计制作了样机,并进行了试验测试.试验结果表明,俘能器的势能曲线随水平耦合距离d减小由单势阱变为双势阱,且存在较佳的磁铁水平耦合距离(d...     

并联磁力耦合式俘能器及其特性研究

传统双稳态悬臂梁压电俘能器存在效率低、频带窄的弊端.为了提高俘能频带,本文提出一种并联磁力耦合式压电悬臂梁俘能装置,引入了磁力的耦合及压电片的并联.通过建立集中参数的的数学模型,使用龙格库塔数值仿真法对比分析了简谐激励下并联磁力耦合式压电悬臂梁俘能装置与单悬臂梁双稳态俘能器的运动状态及俘能特性.最后搭建实验平台进行实验验证.结果表明,磁力耦合和并联的加入,使得并联耦合式压电俘能器较传统单悬臂梁俘能器分别在7 Hz与15 Hz具有两个谐振频率,增宽了俘能器的俘能频带,以输出功率大于8×10-6 W为有效频带,则俘能带宽提高约为19％.     

磁耦合式可调频压电振动俘能器

为提高压电振动俘能器的环境适应性,提出一种磁耦合式可调频压电振动俘能器,利用激励器上主动磁铁和组合换能器上被动磁铁间的耦合作用及横摆簧片实现压电振子的单向限幅激励。通过对俘能器及磁对的建模和仿真分析,获得了俘能器结构参数对俘能器输出性能的影响,在此基础上制作俘能器样机并进行实验研究,获得了俘能器纵摆质量m₁、横摆质量m₂、横向距离L_x、纵向距离L_y、竖向距离L_z及负载电阻对俘能器输出性能的影响规律。结果表明：存在两阶谐振频率f₁和f₂使输出电压出现峰值U_n1和U_n2,调节m₁,m₂,L_x,L_y及L_z会影响f₁,f₂,U_n1及U_n2;其他条件一定时,存在最佳负载电阻2 200 kΩ使输出功率达到0....     

间接激励式压电风力俘能器

为提高环境监测自供电系统的可靠性及风速适应性,提出一种间接激励式压电风力俘能器,通过圆柱型壳体与风场耦合作用产生的涡激振动间接激励壳体内的压电梁振动发电,具有可靠性高、动态特性调节范围宽等优点。介绍了其结构及原理,并进行了理论和试验研究。结果表明:壳体质量、压电梁质量对风力俘能器输出性能都有较大影响;当俘能器总质量确定时,试验范围内通过增加压电梁质量,减小壳体质量可以有效提高压电俘能器的输出性能;此外,不同风速下存在最佳负载使输出功率最大,且本文试验范围内输出功率及最佳负载均随风速增加而增大,风速为28m/s、电阻600kΩ时所获得的最大输出功率为0.4mW。因此,应根据实际风速范围确定合理的压电梁质量/壳体质量以提高俘能器输出能力。     

多方向宽频磁电式振动能量采集器

针对目前振动能量采集器只能拾取环境振动中一个方向的能量,以及响应频带较窄的问题,提出并设计了一种由弹性圆柱悬臂梁、环形磁路和复合磁电换能器组成的多方向宽频带振动能量采集器.圆柱悬臂梁具有在其横截面内沿任意方向振动的特性,同时,借助磁力耦合,使任意方向振动具有非线性的特点,从而采集器实现多方向宽频带振动能量拾取.理论推导了磁力作用下圆柱悬臂梁的非线性动力学方程,以及电压输出模型;借助磁场分析软件Ansoft Maxwell分析了矩形、圆形和环形永磁铁分别组成3种磁路的磁场分布,研究了不同磁路中磁力、磁场强度及其变化量等因素对动力学方程和电压输出的影响,为获得更优性能的采集器提供了设计依据.实验结果表明:在5.88 m/s2的加速度下,具有环形磁路的采集器能够拾取0°～ 180°多方向的振动能量,各个方向响应频带宽度达到4.4～5.6Hz;负载电阻为3 MΩ时,采集器输出0.5 mW的最大功率.     

蒲公英状压电振动能量收集装置宽频带设计

研究了蒲公英状压电振动能量收集装置的宽频带设计,以解决环境振源振动频率多变的问题。建立了蒲公英状压电振动能量收集装置谐振频率的理论模型并进行了数值模拟,结果表明,该能量收集装置的谐振频率并不是可以任意拓展的。为验证理论分析的正确性,进行了蒲公英状压电振动能量收集装置的频率响应实验,得到的实验结果与理论分析基本吻合,说明了本文理论分析的可靠性。最后对宽频带的蒲公英状压电振动能量收集装置进行了发电性能测试实验,结果表明,通过对蒲公英状压电振动能量收集装置的宽频带设计,其在20～34Hz有较大的功率输出,且最大输出功率达到了约2.3mW。本文的设计有效地拓宽了该装置的谐振频率范围,易于实现与环境振源的匹配而获得较高的能量收集能力。     

MEMS低频压电振动能量采集器

设计了基于微机电系统（MEMS）的一阶、二阶传动低频压电振动能量采集器,通过压电效应将低频振动能量转化为电能来解决低频（小于200 Hz）振动环境中的能量采集问题。一阶传动能量采集器模型包括一阶传动梁及压电悬臂梁,二阶传动能量采集器模型包括一阶传动梁、二阶传动梁及压电悬臂梁。数学建模及有限元分析显示：采集器工作频率随一阶、二阶传动梁及压电悬臂梁材料的杨氏模量的减小均呈单调递减的趋势;传动梁的设计可有效降低采集器的高阶工作频率、拓宽工作带宽;而二阶传动梁可以在1g加速度条件下,获得10.98 Hz和44.52 Hz两个超低频率的电压峰值（分别为3.18 V/g和1.33 V/g）,使系统工作频率降得更低,50 Hz以下的有效工作带宽更宽,更适合与低频振动环境匹配进行能量采集。     

涡激振动式微型流体俘能器的研究现状与展望

随着微纳器件应用领域的日益拓展,微能源技术受到国内外研究人员的高度关注和重视,其中利用涡激振动进行流体能量收集是主要的研究热点。本文首先介绍了基于涡激振动的流体能量收集原理,归纳了涡激振动式微流体俘能器的典型结构、原理、特性和应用情况。其次,总结了国内外基于尾涡致动和钝体致振这两种主要涡激振动流体俘能技术的发展概况与研究进展,并简述了涡激振动压电式俘能器流固耦合数学模型的研究现状。最后,指出涡激振动能量收集尚缺乏统一的数学模型以及现有的俘能器存在结构可靠性低、稳定性较差等问题。在此基础上,分析了利用涡激振动实现流体能量收集接下来的发展趋势,以期推动涡激振动式微流体俘能器的进一步发展与应用。     

压电阵列径向分布的二维振动能量采集器

为了有效采集多个方向的振动能量,本文提出了一种圆柱形的压电阵列径向分布的二维(2D)振动能量采集器。通过将柔性弧形压电阵列径向分布在圆柱体上,该采集器可以收集到二维(2D)平面内任意方向的振动能量。同时,引入了角度带宽来描述采集器获取二维振动能量的能力。实验结果表明:这种新型结构采集器的角度带宽接近180°;而且,通过把对称位置的聚偏二氟乙烯(PVDF)压电元件进行反向串联,采集器的最大输出电压可以达到11.6V;当把对称位置的聚偏二氟乙烯(PVDF)压电元件反向并联时,最大输出功率达到13.5μW。与传统的悬臂式压电振动能量采集器相比,该二维(2D)采集器具有更好的多方向振动能量采集性能。     

非线性宽频压电振动能量采集器的研究

为改善双稳态压电振动能量采集器在基础低幅值激励条件下的输出性能,提出了一种带有线性放大器的非线性宽频压电振动能量采集器,通过线性放大器对基础低幅值激励进行一级放大后,激发双稳态压电振动能量采集器进入高能轨道的大幅值周期振动,从而提高能量采集器的输出性能。根据力学和电学平衡方法建立了非线性宽频压电振动能量采集器的两自由度集总参数模型和运动微分方程,并对系统模型进行时域和频域求解,仿真分析了系统质量比、刚度比等参数对系统输出特性(振动位移、速度、相图和输出电压等)的影响。最后,通过与双稳态压电振动能量采集器输出性能的实验结果对比分析,表明非线性宽频压电振动能量采集器在较小的激励幅值作用下具有更高的输出特性和更宽的工作频带。     

非线性压电振动能量采集器与非线性接口转换 电路的耦合动力学特性研究

压电振动能量采集器是实现低功耗电子产品无线自供电的核心部件,其与非线性接口转换电路的耦合机理是提升无线 自供电系统输出性能的关键理论。 以非线性三稳态压电振动能量采集器及其 4 种非线性接口转换电路为对象,建立动力学模 型,利用谐波平衡方法求解不同接口电路下系统耦合动态响应的稳态解;仿真分析了系统参数对接口电路输出特性的影响。 研 究结果表明,当机电耦合系数较小时,串联同步电感开并接口电路(S-SSHI)适合于频率小于 7 Hz、负载电阻小于 7. 4×10 6 Ω 的 场合,而并联同步电感开关接口电路( P-SSHI) 则相反;当机电耦合系数较大时,直流电( DC) 电路具有优势,功率达到 4. 5×10 -3 mW;交流电(AC)电路和 DC 电路具有较宽的机电耦合系数范围,而 P-SSHI 电路和 S-SSHI 电路却较窄但输出功率高, 最大输出功率可达到 19. 0×10 -3 和 14. 3×10 -3 mW。 实验验证了仿真结果的正确性。     

从人体行走中收集能量的鞋上压电俘能器

设计了一种安装在鞋上的压电俘能器(PEH),用于收集人体行走时产生的能量。该俘能器由4根压电悬臂梁和1个弹簧-质量系统组成。弹簧-质量系统能够感知沿径骨轴的加速度激励,并通过磁耦合驱动压电梁振动从而发电。文中通过拟合实验数据获得加速度信号表达式;然后,建立仿真模型,对俘能器的发电性能进行了仿真分析。最后,加工了实验样机,并实验测试了俘能器的发电性能。结果表明,当受到沿胫骨方向的激励时,压电梁在一个步态周期内可被弹簧-质量系统激励多次从而产生多个峰值电压;受到沿胫骨和脚面两个方向激励时,压电梁的发电性能比只受到单一方向激励时好。当步行速度为2~8km/h时,每根压电梁的峰值电压可达到10V。该俘能器能够从人体行走的超低频运动中收集能量,并能够同时收集两个方向的加速度能量,提高了压电梁的发电性能。     

圆弧螺旋型压电振动能量收集系统的设计

为了实现低频、多方向能量收集和高输出性能,提出了一种圆弧螺旋结构的压电能量收集系统。该圆弧螺旋压电能量收集系统不仅可以降低谐振频率,减少系统体积,而且圆弧型悬臂梁具有不对称性,因此可以进行多方向收集。理论分析不同弧度下能量收集系统的应力分布、谐振频率以及输出性能。加工制备了2π、3π和4π圆弧螺旋压电振动能量收集系统并进行了性能测试对比。研究结果表明,4π圆弧螺旋压电能量收集系统具有更好的输出性能,谐振频率为47 Hz,输出电压达到23 V,输出功率达到353μW。该圆弧螺旋压电振动能量收集系统可应用于人体健康检测、环境控制系统、嵌入式系统、军事安全等应用领域。