多稳态压电振动能量采集器的非线性动力学特性及其实验研究

为了提高非线性双稳态压电振动能量采集器的输出性能,提出了一种基于磁?机?压电耦合的非线性多稳态振动能量采集器,通过在双稳态压电振动能量采集器模型基础上增加一对外部磁铁,构造了具有四个稳态的非线性压电振动能量采集器.利用磁偶极子理论建立了采集器悬臂梁末端磁铁与外部磁铁之间的非线性磁力模型;利用Hamilton原理和Ral...     

非对称、变势能阱三稳态压电振动能量采集器特性研究

为了提升压电振动能量采集器的综合输出性能,提出了一种具有非对称、变势能阱的三稳态压电振动能量采集器,它由一个末端带磁铁的压电悬臂梁以及一对可随弹簧拉伸和压缩而变动的外部磁铁构成。外部磁铁固定在水平弹簧自由端并与基座相连,且能够随着弹簧压缩和拉伸发生水平移动和转动,从而使系统产生非对称且随时间变化的势能阱。基于点磁荷法和拉格朗日函数,建立了压电振动能量采集系统的非线性磁力模型和分布参数动力学模型;仿真分析了磁铁间距离以及加速度和弹簧刚度等参数对系统势能及其动力学响应特性的影响规律。研究结果表明：弹簧拉压是产生非对称、变势能阱的主要因素;弹簧刚度使非对称势能阱的深度变浅,使采集器更易进入大幅阱间振动状态;随着弹簧刚度的增大,采集器输出电压随之先增大后减小。在低激励振幅下,非对称、变势阱能量采集器比传统对称势阱采集器有更广的频带宽度和更高的采集效率。     

L型压电振动能量采集器的有限元分析与特性仿真

单频悬臂梁式压电振动能量采集器存在工作频带窄、采集转换效率低等问题。通过在单频悬臂梁式压电振动能量采集器的水平悬臂梁末端增加一垂直悬臂梁,构造了一种L型宽频压电振动能量采集器;运用有限元法建立L型振动能量采集器的有限元分析模型,仿真分析了L型振动能量采集器的结构参数对其前两阶模态频率的影响,得到了结构最优尺寸。利用Hamilton原理建立了L型能量采集器的机电耦合分析模型,对其振动特性和电输出特性进行了数值仿真,结果表明L型结构能够提高能量采集器的工作频带和采集效率。     

磁力耦合压电振动能量采集器研究

提出一种基于汽车减振器的磁力耦合压电振动能量采集器,可以采集更多的振动能量,并减少振动引起的冲击力。该设计中包括永磁铁阵列和弯张压电单元阵列。磁力耦合作用将不规则的往复振动转换成单向磁排斥力作用,并通过弯张结构放大作用于压电片。建立磁-机-电耦合模型并进行实验。实验结果表明:在以固定频率f=12 Hz、13 Hz和15 Hz输出时,增加随机振动信号的幅值,压电俘能器所俘获的电压幅值也随着增大,且输出的电压峰值与振动信号幅值峰值点一致;同时发现幅值相近时,在振幅可视为相等情况下,振动信号频率不同,电压幅值维持不变,电压信号频率改变。该设计结构紧凑,可以集成于汽车减振器中而不显著增加器件体积。     

三向压电悬臂梁振动能量采集器的研究

为实现空间各方向振动能量的获取,设计了一种压电悬臂梁式三维振动能量采集器。系统动力学建模以及势函数和非线性磁铁力的分析,揭示了采集器通过双稳或单稳振荡特性而有效获取空间各方向振动能量的机制。仿真模拟和实验测试结果表明,对于一定带宽和强度的随机激励,系统至少存在一个最优的初始磁铁间距,可在两个坐标轴方向同时实现最优机电能量转换,同时保证第三个方向上的次优。对于实际振动环境,确定一个最优的初始磁铁间距,可实现高效的、结构间距无需实时调整的振动能量获取。     

周期荷载作用下拱式振动能量采集器的压电分析

能源需求的不断增加以及环境问题的日益凸显迫使人们在环境中寻求清洁能源。该文提出了一种新型拱式能量采集器,能有效利用波浪的振动能量。从拱式振动能量采集器的工作原理分析能量采集的可行性,采用Comsol建立了拱式能量采集器的有限元计算模型,分析周期荷载作用幅值、激励频率、负载电阻、压电片位置和基础层材料等参数对能量采集器压电性能的影响,确定采集器的最优设计参数。     

宽频压电振动能量采集器的力-电输出特性分析

压电振动能量采集器是一种新型的力(加速度)-电耦合转换输出器件,为了提高单自由度悬臂梁压电振动能量采集器的输出功率和工作频带,通过在单自由度悬臂梁压电振动能量采集器模型基础上增加一个弹性放大器的方法,构造形成了具有两自由度的宽频压电振动能量采集器。利用ANSYS有限元软件建立了宽频压电能量采集器的有限元力-电耦合模型,数值分析了模型中各参数(如质量比、阻尼比以及负载电阻等)对系统力特性(速度、加速度等)和电输出特性(电压、电流、输出功率等)的影响。研究结果表明：大的质量比和小的阻尼比能够提高压电悬臂梁能量采集器的输出功率并拓展其工作频带;短路谐振状态下的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电流,而开路谐振状态的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电压,优化后的短路谐振和开路谐振最大输出功率分别达到4386.5 mW/g2和4263.4 mW/g2。频带宽度达到10 Hz,且是SDOF系统的5倍。     

双自由度压电振动能量采集器的力-电输出特性分析

在单自由度悬臂梁压电振动能量采集器模型基础上增加一个弹性放大器,构造形成了具有双自由度的压电振动能量采集器。利用ANSYS有限元软件建立了双自由度压电能量采集器的有限元力-电耦合模型,数值分析了模型中各参数(如质量比、阻尼比以及负载电阻等)对系统力特性(速度、加速度等)和电输出特性(电压、电流、输出功率等)的影响。研究结果表明:大的质量比和小的阻尼比能够提高压电悬臂梁能量采集器的输出功率,并能拓展其工作频带;短路谐振状态下的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电流,而开路谐振状态的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电压。研究结果还表明:对于尺寸为50.8mm×31.8mm×0.26mm的悬臂梁基板和50.8mm×31.8mm×0.14mm的压电晶体构成的双自由度系统,在基础加速度40m/s2、频率38Hz的外界振动激励下,系统在负载电阻短路和开路状态下的最大输出功率分别达到4 386.5和4 263.4mW,是单自由度系统的10倍。双自由度系统的频带宽度达到10Hz,是单自由度系统的5倍。     

一类电磁式薄膜振动能量采集器动力学建模与非线性分析

将柔性薄膜和磁铁弹簧相结合,借助振子的阱间运动特性,创新性地设计了一类具有双稳态形式的电磁式振动能量采集器。对系统中的主要非线性因素(具有中心质量的薄膜振子大变形以及非线性形式的磁场力)进行了全面的分析,进而结合虚功原理建立了系统的振动控制方程。采用理论、数值模拟和实验等手段进行了动力学分析,证明了控制方程的准确性,也验证了双稳态所表征的阱间运动能够有效地拓宽结构的工作带宽、提高输出功率。研究结果对于类似柔性体结构多稳态能量采集器的设计、优化,理论分析都提供了可供借鉴的参考依据。     

多方向压电振动能量收集装置及其优化设计

摘要：为实现对不同方向环境振动能量的收集,提出了一种新颖的多方向振动能量收集装置的设计结构,装置的换能部分采用了一种Rainbow型压电结构。为提高多方向振动能量收集装置收集能量的效果,以多方向振动能量收集装置输出的总电能为目标函数,综合考虑金属弹性基片的强度、装置振动的固有频率及装置的尺寸空间要求等多种因素,采用序列二次规划法对能量收集装置的结构参数进行了优化。该多方向振动能量收集装置经过优化后,在Y向激励时,其输出的总电能为37.146μJ,比优化前提高了30.82%,当沿装置体对角线方向激励时,结构装置输出的总电能为58.715μJ,比优化前提高了29.24%,装置的能量收集效果得到了明显提高。分析结果为多方向振动能量收集装置的设计、制造及应用提供了技术依据。     

基于双环永磁体结构的多稳态能量采集器建模及性能分析

宽频带能量采集已经成为当前国际上振动能量采集的研究热点之一.提出基于双环永磁体结构的非线性多稳态能量采集器.采用库伦模型建立双环永磁体磁力数学模型,分析外环永磁体结构参数对能量采集装置势能函数的影响规律,确定能量采集器在单稳态、双稳态到三稳态之间变化时外环永磁体结构参数范围.通过数值仿真分析能量采集器处于双稳态和三稳态...     

预应力式压电能量采集器的模型和试验分析EI北大核心CSCD

为提高振动能量的采集效率,设计了一种基于预应力梁的压电能量采集器。基于欧拉-伯努利梁理论,建立了基础激励条件下含预应力压电陶瓷悬臂梁的动力学模型,并利用数值仿真的方法对其输出功率、电压等性能进行分析。最后搭建了试验平台对上述预应力能量采集器的样品进试验测试,对其输出电压、输出功率和自由端位移与预应力大小关系进行分析和研究。试验结果显示在相同条件下,5.9 N轴向预拉力作用下的压电能量采集器的开路电压比无预应力条件下提高了11.6 V。对相同容量的电容的充电试验结果表明,含5.9 N轴向预拉力的压电能量采集的平均充电电压比无预应力情况下提高了1.55 V。数值仿真和试验结果均显示含预应力的PEH的能量采集效率得到明显提高。     

微型电磁式振动能量采集器的研究进展

随着低功耗无线传感网络和微机电系统的迅速发展,供电问题正成为它们进入实用化、产业化的一大障碍。现有的一个解决方案是微型电磁式振动能量采集器。首先给出电磁式振动能量采集器的工作原理、物理模型和设计原则,然后详细介绍目前国内外各研究小组研制的电磁式振动能量采集器的几何模型、结构参数、输出结果和技术特点,最后简单分析电磁式振动能量采集器面临的困难、挑战和发展趋势。     

压电微能量采集器PZT厚膜制备及其图形化研究

采用环氧树脂作为中间层的真空键合技术实现体材PZT与硅片键合,再利用机械化学抛光方法将PZT减薄到适当的厚度制备了PZT铁电厚膜,构成了SiO2/Si/SiO2/Epoxy/Ag/PZT/Cr/Cu形式的压电能量采集器悬臂梁结构。基于半导体光刻技术,通过湿法化学刻蚀和切片两种方法实现了PZT厚膜图形化问题,为基于体材PZT厚膜的高性能压电能量采集器的研制打下了良好的基础。     

单悬臂梁阵列式压电能量采集器的研究

根据当前物联网以及无线传感网络的需求,以MEMS技术为依托,结合压电效应,提出了一种单悬臂梁阵列式压电式能量采集器。在分析压电能量采集器结构力学特性的基础上,详细介绍了两种不同尺寸微结构的设计、加工和测试。采用ANSYS软件仿真,得出两种微结构的谐振频率分别为3.9和4kHz;利用溶胶-凝胶法制备出15和20层的PZT压电功能薄膜,电镜扫描其厚度分别为1 849,2 667nm,AFM对比表面形貌其粗糙度分别为1.8和2.11nm,后者致密更好,颗粒较小,相变温度相对比较高。     

小尺度压电式振动能量采集器的研究现状

采集环境振动能量为无线传感器等电子产品供电,是这些电子产品摆脱电池供电束缚而超长时间服役的重要策略。在此应用需求推动下,近年来利用压电膜制备小尺度振动能量采集器成为了科技工作者们广泛关注的研究热点。本论文首先从压电膜的种类出发,分析了含铅钙钛矿结构、AIN和ZnO以及新型无铅压电膜三大类振动能量采集器的发展现状;随后从器件的几何构造出发,归纳了低频点和宽频带两大类器件,并讨论了它们各自的发展现状。     

悬臂梁压电振动能采集器的集总参数模型和实验验证

压电振动能采集器是无线传感节点的一种理想电源,近年来受到广泛关注．考虑质量块和逆压电效应影响,建立了在基础激励作用下的悬臂梁压电振动能采集器的集总参数运动微分方程,得到了采集器固有频率的解析表达式．引入了2个反映压电层连接方式的常数,建立了对单压电层、双压电层并联和双压电层串联的悬臂梁压电振动能采集器均适用的耦合电路方程．求解以上方程,得到了简谐基础激励下的输出电压表达式．实验结果表明,固有频率和输出电压表达式的相对误差分别小于10％和20％．     

一种非线性宽频压电能量收集系统的动力学特性分析

提出了一种基于同步开关电路的非线性宽频压电能量收集器,并利用高阶谐波平衡法对能量收集系统的频域响应、能量输出功率及其影响因素等内容展开了理论研究,同时利用Hill法对系统的稳定性进行了分析.研究结果表明在基于同步开关电路的能量收集系统中引入副梁,可以大大拓宽能量收集系统工作频带;适当减小同步开关电路的电容比,虽然会降低...     

基于等效线性化方法的非线性振动能量采集器功率分析

输出功率分析是振动能量采集器结构设计、参数选择的重要依据.有鉴于传统功率分析方法比较复杂,以一类电磁式振动能量采集器为对象,提出了一种新的非线性振动能量采集器功率分析方法,其核心是将非线性振动方程进行等效线性化处理,并借助传递函数开展功率优化分析.首先,考虑非线性磁力以及基尔霍夫电流定律,建立了通用化的采集器1.5自由...     

考虑尺度效应的微振动能量采集器建模

考虑尺度效应~([1]),引入等效杨氏模量以便于对微压电悬臂梁进行有限元建模。搭建了振动特性实验平台,验证了考虑尺度效应的微梁动力学模型准确有效。在此基础上完善了微振动能量采集器的动力学模型,设计并制备了T型Si悬臂梁振动能量采集器。通过实验测试得到采集器的谐振频率、尖端位移和输出电压,与有限元分析结果相比较,改进模型比宏观模型的误差降低了13%,35%和22%。