压电微悬臂梁共振频率的检测系统

介绍了一种压电微悬臂梁共振频率检测系统.压电材料沉积在微悬臂梁上,在压电层的上下电极之间施加交变电压使其振动,当微悬臂梁的振动频率等于它的固有频率时,发生共振,此时微悬臂梁的振幅最大.结合所设计的激励电路以及微悬臂梁共振频率检测电路,对压电微悬臂梁进行了检测实验.实验结果表明,放大电路能够检测出压电微臂梁的共振频率,并且压电微悬臂梁达到共振时,共振频率附近振幅远大于其他频率对应的振幅,振幅最大值接近600 nm.     

双端磁耦合式压电振动俘能器结构设计

现有的非线性压电俘能器的输出功率提升主要通过改变俘能器的结构或引入非线性元素,但这些方法在提高俘能结构的输出功率,拓宽俘能器的俘能频带方面能力受限。该文设计了一种双端磁耦合式悬臂梁结构压电俘能结构,在利用永磁体引入非线性元素的基础上优化俘能结构,进一步提高系统的输出电压,拓宽俘能频带。通过将悬臂梁俘能结构等效为复杂边界条件的悬臂梁,推导磁耦合式悬臂梁结构的工作状态方程,并得到磁耦合式悬臂梁俘能结构的输出电压与永磁铁间距的关系,并通过实验测试进行验证。结果表明,在永磁体间距为5mm时,压电俘能结构获得最大的输出功率,在最佳的永磁铁间距和负载电阻下,双端压电磁耦合式悬臂梁的输出功率可达传统悬臂梁式压电俘能结构的1.5倍,谐振频率下降约7Hz。     

带异形孔的双稳态压电能量采集器研究

针对传统线性压电悬臂梁能量采集器共振频率高、偏离共振频率时输出电压快速下降的问题,该文设计了一种悬臂梁基板上带异形孔的新型双稳态能量采集器。建立该能量采集器的理论模型,并制作了实验样机,研究了该能量采集器在外界不同正弦激振频率下,磁间距对其输出电压和工作频带的影响。结果表明,随着磁极对间距减小,带异形孔结构的双稳态能量采集器的双稳态效应先增强再减弱,由此确定最佳磁极对间距为12 mm,谐振频率为18 Hz,最大输出均方根电压达到12.01 V,采集器有效工作频率为15.5～22.5 Hz,工作带宽达到7 Hz,带异形孔的双稳态能量采集器具有更宽的采集频带,在低频振动环境下具有更高的输出电压响应。     

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.     

弹性支撑切断式二自由度压电能量采集器研究

针对振动能量采集器对环境中振动能量响应频带较窄的问题,该文提出了一种弹性支承外部磁铁的非线性切断式二自由度压电能量采集器。该弹性支承保证了能量采集器处于双稳态中,实现了能量采集器的宽频带响应。建立了采集器的集中参数理论模型,并研究了不同频率的正弦外界激励下该能量采集器弹性支承外部磁铁与内梁自由端磁铁的间距值变化对采集器电压输出和采集频带的影响。仿真和实验结果表明,随着弹性支承的外部磁铁和内梁自由端磁铁的间距逐渐减小,采集器的均方根电压输出逐渐增大,其采集频带也相应被拓宽。当能量采集器的水平间距值从10 mm调整为5 mm时,该能量采集器一阶谐振频率的均方根电压增长了1.5倍,同时二阶谐振频带拓宽了2.25倍。     

一种斑马型压电俘能器的有限元分析

提出了一种新型的俘能结构,其是利用压电效应并应用于微机电(MEMS)领域的设计。通常有效的能量捕获装置包括:悬臂梁类型的金属基层及与之粘结的较薄压电层,从而引起谐振响应。越短的悬臂梁其谐振频率越大,因此在微机电领域中,由于较小的结构使得悬臂梁难以形成共振。文中针对此问题提出了一种可以降低自身谐振频率的新型几何结构。对这种斑马型几何结构,利用Ansys仿真软件求解得出其在微机电领域内也可以接近发生共振。     

环境动能收集器频率自调节技术研究进展

环境动能收集器的工作频带窄,导致其难以与频率随机变化的环境激励相匹配而制约其实用化。基于频率自调节技术的频率匹配方法具有频率匹配范围宽、精度高、无需人工干预等优点,是解决该问题的有效技术方案之一。根据近年来国内外该类技术研究进展,首先从频率自调节原理、实现方法和具体实现等方面对振动激励和转动激励下的频率自调节技术进行了总结;然后介绍了基于频率自调节技术与非线性技术结合的频率匹配方法的研究进展。最后,对比分析了不同频率自调节方法的优缺点,总结归纳了频率自调节技术的发展方向。     

一种冲击式悬臂梁压电俘能器的设计与实验

为提高悬臂梁压电俘能器的俘能效率,提出了一种冲击式悬臂梁压电俘能器。该俘能器包括多个悬臂梁压电振子,可在风力、人体动力能及环境振动能等多种外载荷作用下产生电能。俘能器的核心部件是悬臂梁压电振子,通过冲击实验发现悬臂梁压电振子在周期性冲击载荷作用下拓宽了共振频率,同时提高了输出功率。测试结果显示在频率约为21Hz的方波冲击信号下,外接电阻为50kΩ时,单个悬臂压电俘能器最大输出功率可达0.28mW;当频率分别为5Hz、8.5Hz时,还可分别输出0.07mW和0.17mW的功率,俘能器出现多个峰值电功率。研究表明所设计的冲击式压电俘能器可有效提高俘能效率。     

一种宽频带复合悬臂梁能量收集装置

基于ANSYS Workbench 15.0有限元分析软件,建立了复合悬臂梁和多层悬臂梁两种发电装置的有限元模型,分析了其静力学、模态、瞬态动力学以及谐响应特性,并比较了两种发电装置的发电能力和共振频带。结果表明,在相同约束条件下,复合悬臂梁结构发电装置的发电量优于多层悬臂梁结构,并且复合式悬臂梁结构可将共振频带由一个点扩展到一个区间。     

基于1×2阵列压电悬臂梁的AFM并行扫描

分析了阵列悬臂探针并行扫描的工作方式,以非接触磁力模拟样品与悬臂梁间的范德华力,研究了1×2阵列压电悬臂梁的并行扫描和驱动控制方法。每一压电梁均集成了微位移致动器和力传感器,在320Hz一阶共振频率下振动。实验表明:在0.2～1.0mm力作用区内,压电梁自由端每接近模拟样品0.1mm,表征悬臂梁振幅的锁相放大器输出电压减小1.7mV,但微力传感在扫描的升回程存在迟滞;致动器的控制电压每增加10V使锁相放大器输出减小约3mV,表明集成的致动器可调节压电梁与样品间的间距。两压电梁的电荷-位移响应曲线、间距调节灵敏度均不完全一致,讨论了阵列悬臂梁一致性问题和阵列规模大小问题。     

面向负载功率的压电悬臂梁研究

基于电路负载阻抗匹配原理,为最大程度利用压电悬臂梁发电装置收集环境振动能量,保证压电悬臂梁外接负载能够正常工作,需要研究压电悬臂梁结构参数对其最佳输出功率以及相对应外接负载匹配阻值的影响。该文通过压电电路分析,研究了基板和压电陶瓷片的长度、厚度、宽度和质量块质量对压电悬臂梁最佳输出功率以及相对应负载匹配阻值的影响。结果表明,一定范围内,增加基板长度、压电陶瓷片厚度、质量块质量可以增加压电悬臂梁外接负载匹配阻值,增加基板厚度、压电陶瓷片长和宽可降低压电悬臂梁外接负载匹配阻值;随着基板长度、压电陶瓷片宽和长、质量块质量的增加,压电悬臂梁最佳输出功率得到显著提高,基板宽度对压电悬臂梁最佳输出功率基本无影响,增加压电陶瓷片的厚度,压电悬臂梁最佳输出功率先增加后降低,存在一个最佳输出功率。     

多向振动俘能器设计及能量收集实验研究

针对线性、单一的振动能量俘能器存在工作频带狭窄、只能采集单向振动等问题,该文提出了一种适应货运列车等多向振动应用场景的新型多向振动俘能装置,以增强对环境中振动能量的俘获。该装置结合压电和电磁俘能器,通过螺旋圆柱弹簧和顶端质量有效捕获多向振动,并通过磁力传递振动能量至压电梁。合理设计了弹簧-质量结构,使其在较低的频率范围内可实现多种振动模态,拓宽了俘能器的谐振频带。为了充分利用压电材料,采用了变宽度压电悬臂梁,使应力均匀分布。压电梁自由端的永磁体随着压电梁的振动而产生变化的磁场,在线圈中产生感应电压。通过有限元分析和实验测试,验证了复合式俘能器可以采集多向振动能量,并测试了在z向振动激励下压电、电磁及复合式俘能器的最大输出功率。在频率9.5 Hz、z向振幅2 mm的正弦波激励下,复合式俘能器输出最大功率为3.276 mW。该系统在理论上可为低功耗传感器提供持续电力,为机械能收集与能量转换领域提供技术支持。     

A Branched Beam-Based Vibration Energy Harvester

In this paper, a strategy to utilize a branched beam system to improve the frequency response characteristic of vibration energy harvesting is demonstrated. A basic unit of the device consists of several branch beams with proof mass at their ends and one main cantilever beam with a piezoelectric component at its root and proof mass at its end. The device can utilize the resonance of the branch beams and main beam to generate multiple output voltage peaks, providing a better frequency response characteristic than that of the conventional piezoelectric vibration energy harvester. Multiple branch structure and multiple basic units with similar structures can be connected to generate more output voltage peaks in the frequency response characteristic. Only one piezoelectric component is needed in the device, which makes it competitive in the management of harvested electric energy.     

考虑疲劳寿命的压电悬臂梁结构优化设计方法

提出了一种插入式的压电悬臂梁结构,通过将其末端质量块转化成等效惯性力和惯性力矩,得出了求解其固有频率的理论公式。在此基础上,设计了一系列一阶固有频率相同、长宽比不同的压电悬臂梁。通过ANSYS模态分析发现,理论计算和仿真结果的误差均在5%以内,证明了这种求解压电悬臂梁固有频率方法的可行性。通过瞬态分析得出,随着长宽比的增大,压电悬臂梁的输出电压及压电层的最大应力随长宽比呈近似线性关系增大,这种线性关系对于压电悬臂梁的性能预测很有意义。最后通过疲劳分析软件nCode DesignLife,求解出了各压电悬臂梁的疲劳寿命,并以此为依据,选取了最优的结构设计方案。为压电悬臂梁的结构优化设计建立了一种新的、相对完整的方法。     

悬臂梁压电式能量收集器频带扩展研究

为了扩宽悬臂梁压电式能量收集器的工作频带,提出了一种新型的电学连接方案.通过将悬臂梁表面电极分为两个对称区域,实现扭转模态下正负电荷的有效收集.对悬臂梁的结构尺寸进行优化,使弯曲模态接近扭转模态的谐振频率,以扩宽压电式能量收集器频带.根据Erturk的分布参数机电模型,研究了两种模态下的输出电压与固有频率.研究结构表明...     

Analysis of piezoelectric energy harvesting device with adjustable resonance frequency

This paper presents an analytic method that adjusts resonance frequency of a piezoelectric vibration energy harvester. A mathematical model that estimates resonance frequency of cantilever is also proposed. Through moving an attached mass and changing its weight on the cantilever beam, resonance frequency of adopted piezoelectric device can be adjusted to match the frequency of ambient vibration sources, which is critical in order to harvest maximum amount of energy. The theoretical results are validated by experiments that move different masses along experimental cantilever beams. The results demonstrate that resonance frequency can be adjusted by an attached mass located at different positions on the cantilever beam. Different combinations of operational conditions that harvest maximum amount of energy are also discussed in this paper.