不同形状压电振子的振动发电行为研究

利用压电振子将环境振动能量转化为电能是无线传感器自供电领域的一个研究热点,而压电振子的几何形状是影响其振动发电的重要因素之一.该文针对矩形、梯形、三角形3种形状的压电振子,首先从理论上推导了它们的应变表达式,然后对3种压电振子分别进行了有限元建模和静力学仿真分析,最后进行了实验验证.仿真和实验结果表明,在相同条件下,三角形压电振子明显改善了应变分布,产生的电压最大,梯形压电振子次之,而矩形压电振子最小,可用于指导实际中压电振子结构形状的优化设计.     

矩形板压电振子振动有限元分析

利用有限元法，对具有四个凸起的矩形板压电振子的振动状态进行了解析计算，并根据其振动特点，重新选择结构参数制作了超声矩形板马达，结果大大提高了这种马达的转速和效率等性能。     

一种基于梯形压电悬臂梁的能量采集器研究

提出了一种基于d33模式的梯形压电悬臂梁式能量采集器.采用梯形悬臂梁结构能提高能量采集器的平均应力和降低其最大应力,增加其输出电压和使用寿命;同时由于压电材料的d33系数一般是d31系数的2～3倍,利用d33模式同样能提高能量采集器的输出电压.分析和制备了同尺寸的d31模式和d33模式两种能量采集器,并进行测试.实验结果表明,d33模式能量采集器的输出电压约是d31模式的2倍,具有较高输出电压,与有限元分析结果基本一致.     

压电陶瓷圆片振子的多模耦合振动

本文利用解析方法研究了压电陶瓷圆片振子的复合模式耦合振动，分析了振子的平面径向振动与厚度振动模式之间的相互关系，从理论上导出了决定振子复合模式振动的频率方程。本文的结果与现有理论计算方法的结果基本一致。实验表明，与一维传统理论的结果相比，本文结果与实测值更加接近。     

基于Ansys的0-3型压电振子的有限元分析

0-3型压电复合材料以其柔软性,易加工成型和制备工艺简单等优点,具有广泛的应用前景.该文利用0-3型压电复合材料作为压电悬臂梁压电振子的压电体,利用Ansys软件对振子做有限元分析,包括静态和模态分析,得出压电振子各参数对其发电能力及谐振频率的影响:振子发电能力与外力及振子的长度成正比,与振子宽度成反比,存在最佳长度比和厚度比;振子的固有频率与长度及质量块的质量成反比,宽度对固有频率的影响较小.这些数据为压电悬臂梁的结构参数提供设计依据.     

压电陶瓷薄圆片振子的厚度剪切振动

本文研究了切向极化压电陶瓷薄圆片的厚度剪切振动，即扭转振动。利用压电方程及运动方程，推出了振子的机电等效电路，得出了振子扭转振动的输入电阻抗，并推出了其共振及反共振频率方程。由于振子的扭转振动与其截面形状有关，因此，本文提出了振子的截面扭转系数的概念，并给出了实心及空心圆盘的截面扭转系数。本文理论对于扭转振动换能器设计理论的研究，以及压电陶瓷振子振动模式的系列研究具有一定的指导意义。     

0压电陶瓷圆片振子耦合振动的等效电路

在考虑压电效应的情况下，本文对压电陶瓷圆片形振子的耦拿辱劝进行了研究，分析了振子的轴向振动与径向振动之间的相互关系，推出了振子耦合振动的等效电路。在此基础上，得出了振子耦合振子的共振频率方程，并分析了振子的振动模式与共振频率之间的关系。理论分析表明，压电陶瓷振子耦合振动的等效电路在其频率特性分析中是非常方便的，理想振子的一维振动模式是实际振子的一些近似振动模式，可由本文理论直接导出。实验表明，由本     

悬臂梁式压电振动能量收集器的疲劳分析

建立了悬臂梁式压电振动能量收集器的有限元模型,通过模态分析求解了其一阶固有频率,并通过实验验证了求解结果的准确性。对所建立的有限元模型进行静态分析后将静态分析的结果导入ANSYS nCode DesignLife中进行疲劳分析,结果表明,随着激励位移幅值的增大,压电层的应变与其成线性关系增大,而疲劳寿命迅速缩短,当激励位移增大1倍时,疲劳寿命缩短了284倍。因此在实际应用中,要综合考虑压电悬臂梁的输出电压及压电陶瓷层的疲劳寿命,才能实现最大的电能输出。     

压电电磁复合式振动能量采集器模型的研究

针对目前单一化的压电式或电磁式机械振动能量采集装置最大输出功率较低的问题,设计了一种新型的压电电磁复合式能量采集器。通过对复合式能量采集器建立数学模型,推导出了电压、电流及输出功率的表达式。然后对复合式能量采集器的输出功率特性进行数值仿真,并设置压电片内阻值及其他参数条件,对比分析复合式能量采集器模型与单一的压电式或电磁式能量采集器模型,理论上输出功率提高了38.2%和4.74%。最后通过对采用悬臂梁结构的振动能量采集器的具体实验数据进行分析,论证了压电电磁复合式能量采集器输出功率的高效性。     

压电陶瓷圆筒振子耦合振动的本征频率分析

研究了压电陶瓷圆筒振子的耦合振动,分析了振子的轴向、径向伸缩振动及扭转振动之间的耦合关系.从理论上推导出了振子耦合振动的共振频率方程.由于分析中对振子的几何尺寸未加任何限制.因此所得结论适用于任何尺寸的陶瓷圆筒振子,其中包括厚壁圆筒及圆环.理论分析表明.本研究计算简单,物理意义明显,与一维理论的结果相比,文中得出的振子耦合振动的共振频率与实测值符合较好.     

悬臂梁能量回收装置压电片位置与尺寸优化研究

研究了悬臂梁式压电振动能量回收装置压电片贴片位置和尺寸优化问题。首先分析推导出了应变方程、开路电压方程和压电能量方程,然后提出了运用开路电压和压电能量方程得到压电片的最优贴片位置和最优尺寸的优化方法,最后运用提出的优化方法通过理论计算得到了一、二阶模态下压电片最优贴片位置及最优尺寸,并运用abaqus软件进行了仿真分析。结果表明,理论计算与仿真分析结果基本吻合,一、二阶模态下压电片最优位置分别为梁的根部和中部,最优尺寸均约为梁长的一半。说明提出的压电片位置和尺寸优化方法是正确有效的。     

悬臂梁式压电振动能量收集系统输出功率的优化研究

针对环境振动能量较小、振动源频带较宽导致压电能量收集系统输出功率较低的问题,探究了悬臂梁式结构能量收集系统采用并联或串联电感优化统输出功率的方法和特性,分析了不同并、串联电感值对输出功率的影响.鉴于压电悬臂梁的工作频率较低,匹配电感值较大,采用无损模拟电感进行了实验验证.理论分析与实验结果均表明,在不同的激振频率下对应不同的匹配电感值,在偏离谐振频率附近也可获得与谐振状态几乎相同的最大输出功率,从而拓宽了工作频率,提高了压电振动能量收集系统的能量收集水平.当激振频率分别是谐振频率的0.8和1.2倍时,并联或串联电感获得的最大输出功率分别是无电感纯电阻负载的26.4倍和18.2倍.     

压电能量收集中储能器件的研究

目前压电振动能量收集成为微能量领域的研究热点.由于收集的能量较小,因此需要储能器件把收集的能量存储起来以便为电子元件供电.比较了常用的储能器件,包括电阻、电解电容器、超级电容器和可充电电池.研究了这些器件的充放电特性和应用状况,比较了这些器件的优缺点,结果发现,超级电容器可在低压状态下为电子元件有效供电,适合在压电能量收集中推广应用.     

基于压电材料的振动能量回收技术现状综述

随着微机电系统(MEMS)技术的迅猛发展,基于压电振动的能量回收技术可以为MEMS提供电能,受到国内外众多学者的关注。该文介绍了压电式振动能量回收装置的工作机理;分别从能量回收装置的结构和材料、能量转化的接口电路、能量的存储技术、能量回收的应用实例等方面系统的介绍国内外的主要研究成果和研究进展;并对压电振动能量回收技术的发展方向进行了预测。     

多方向压电振动能量收集技术研究与进展

煤矿井下综采设备工作时会产生较大振动,利用压电振动能量收集系统实现煤矿综采设备无线监测节点自供电,有望解决传统化学电池使用寿命有限,更换困难,污染环境等问题。传统线性能量收集装置的谐振频率难以满足外界振动复杂多变的要求,导致俘能效率低下。如何提高压电振动系统俘能效率是一个亟待解决的问题。多方向是提高复杂振动环境压电俘能效率的有效途径。该文从击打式和悬臂梁式两种能量转换方式总结分析国内外学者在多方向振动能量收集方面的研究,从阵列式、自调谐、非线性、频率泵浦、弹性放大器等方面分析多方向振动能量收集系统的效率提升技术;最后,从采用新型压电材料提升俘能效率、考虑非线性和多场耦合动力学优化俘能结构、工程应用研究等方面对多方向压电能量收集技术进行了展望。     

基于Hamilton原理的压电悬臂梁模型建立与分析

根据哈密顿(Hamilton)原理建立了压电悬臂梁(压电梁)能量转换模型,利用数值模拟和实验测试的方法研究了压电梁在固定端受到位移激励时结构尺寸、材料特性和激振频率等对其发电能力的影响规律。研究表明,当基板材料相同时,单、双晶压电梁均存在最佳厚度比(基板/总厚)使其输出电能最多;当基板材料不同时,最佳厚度比随杨氏模量比(基板/陶瓷)增加而减小,铜、钼基板构成的单、双晶压电梁的最佳厚度比分别为(0.7,0.35)和(0.45,0.2);当厚度比(0.5)和激励条件相同时,杨氏模量比对单、双晶压电梁发电能力影响不同;调整单、双晶压电梁自由端质量块使其工作在谐振状态,可显著提高压电梁的发电能力。     

悬臂梁电极长度对压电俘能电气特性的影响研究

悬臂梁电极长度是影响压电振动俘能特性的重要因素之一.提出了用能量分布函数描述在振动俘能过程中电场能量与电极占比的关系,并探究了电极占比对电气输出特性影响的本质.指出矩形和三角形悬臂梁获得最大功率的最优电极占比在50%~60%之间,在俘能过程中存在电荷的重新分配,且存在能量损失,在最优电极处能量损失最低,全电极时能量损失较大.仿真和实验结果均表明矩形和三角形悬臂梁的最优电极占比与能量分布函数得到的最优值相吻合,优化电极提高输出功率是可行的.     

Sustainable Vibration Energy Harvesting Based on Zr‐Doped PMN‐PT Piezoelectric Single Crystal Cantilevers

In this paper, we present the results of a preliminary study on the piezoelectric energy harvesting performance of a Zr‐doped PbMg_1/3Nb_2/3O₃‐PbTiO₃ (PMN‐PZT) single crystal beam. A novel piezoelectric beam cantilever structure is used to demonstrate the feasibility of generating AC voltage during a state of vibration. The energy‐harvesting capability of a PMN‐PZT beam is calculated and tested. The frequency response of the cantilever device shows that the first mode resonance frequency of the excitation model exists in the neighborhood of several hundreds of hertz, which is similar to the calculated value. These tests show that several significantly open AC voltages and sub‐mW power are achieved. To test the possibility of a small scale power source for a ubiquitous sensor network service, energy conversion and the testing of storage experiment are also carried out.