多悬臂梁压电振子频率分析及发电实验研究

为了提高悬臂梁压电振子的发电能力,设计并制作了多悬臂梁压电振子,采用有限元方法对多悬臂梁压电振子的有效工作频率进行了仿真分析,并且进行了实验验证.在此基础上,对多悬臂梁压电发电装置进行了压电发电实验测试.研究结果表明,多悬臂梁压电振子工作的谐振频率范围为56~65 Hz,与实验结果基本吻合.相比于单悬臂梁压电振子,多悬臂梁压电振子能有效地拓宽其谐振频带并提高压电发电能力.当多悬臂梁压电振子外接负载为820Ω、工作频率为60 Hz时,多悬臂梁压电发电装置的最大输出功率达到4.9 mW,产生的能量能够满足网络传感器等低耗能电子产品的供能需求.     

悬臂梁压电振子频率调谐和发电能力研究

研究了一种带末端质量块的悬臂梁压电振子的频率调谐能力。理论分析了悬臂梁压电振子的结构尺寸对压电振子谐振频率和发电能力的影响关系,并分别对长度调谐和质量调谐前后的压电振子发电能力进行实验测试和对比分析。结果表明,增加悬臂长度或末端质量可以降低压电振子的谐振频率,减少悬臂长度或末端质量可以提高压电振子的谐振频率,但为达到更好的发电效果,降频调谐时,应该采用质量调谐法提高压电振子的输出功率,而升频调谐时．应该采用长度调谐法提高压电振子的输出功率．     

压电悬臂梁俘能器多模态俘能效果研究

研究了一种带质量块的压电悬臂梁俘能器,推导得到俘能器振型函数,并进行数值计算,分析不同质量比时系统振型特点,以及系统各阶固有频率与质量比的关系.数值计算结果表明:质量比小于0.5时,对系统各阶固有频率影响较大;质量比趋于无穷大时,自由边界条件会转化为夹持边界条件;俘能器二阶及二阶以上模态时在梁长度方向上存在应变节点,节点两侧应变符号相反.为提高俘能效率,避免压电晶片电极上电荷抵消现象的发生,可在悬臂梁上应变节点两侧分段粘贴压电晶片,提取多个谐振频率时的振动能,实验结果表明分段电极法可以产生更多的电能.     

柔性压电发电机的发电性能分析

为提高微小型压电发电机的发电性能,设计了一种悬臂梁式的柔性风力发电机,通过实验与理论相结合的方法,分析了柔性悬臂梁振子的结构类型和结构尺寸对发电机输出电压的影响规律. 研究发现,合理选择压电振子的长、宽以及基底厚度,使压电振子在给定风速下产生共振将有助于提高发电机的发电能力. 在0～50 m/s的风速范围内,对不同结构尺寸的柔性压电发电机的发电能力进行了测试,实验结果表明:在压电振子能够发生共振的前提下,基底的厚度对发电性能的影响不大,而振子的长度及宽度对压电发电机的输出电压影响较大,且输出电压不随振子尺寸单调递增;在其他参数均为定值的前提下,压电振子的最优长度为40 mm,最优宽度为11.3 mm.      

悬臂梁双晶压电能量采集装置的实验探究

为提高双晶压电振子的发电能力,探究了一种悬臂梁式双晶压电能量采集装置的发电性能。实验研究了振动台频率、激励位移、负载阻值和悬臂梁自由端质量块对悬臂梁式双晶压电能量采集装置输出电压和负载功率的影响,将两片双晶压电振子并联,探究了它们的发电性能。实验表明,存在谐振频率,使得输出电压最大;输出电压随着激励位移和负载阻值的增大而增大,并与激励位移呈一次函数关系;双晶压电振子外接匹配负载时,负载功率最大;随着质量块的质量在一定程度上的增加,输出电压随频率变化的曲线左移,峰值电压对应的频率变小;两片双晶压电振子并联且带匹配负载时,能有效提高负载功率。     

多自由度超声波电机及其转子支持机构研究

应用有限元方法,设计和制作了一种能实现机器关节的多自由度超声电机.给出了一种正交轴承法转子支持机构,用于实现转子在机器手指关节中的应用.该电机定子由一个压电多层纵振子和一个夹心式弯曲振动换能器组成.多层振子较低电压下可在竖直方向产生较大振动位移.夹心式弯曲振子由两个纵向振动压电片和四个铜电极组成.在夹心振子上施加具有一定相位差的电压信号,会产生两个相互正交的弯曲振动.通过激励定子3种不同振动模式,可驱动位于定子表面的转子产生多自由度转动.测试结果表明:以多自由度超声电机作为驱动源,采用正交轴承法转子支持机构,可以有效增加机器手指关节的运动自由度.     

基于压电薄膜材料PVDF的能量采集结构研究

为了提高基于PVDF压电材料的能量采集效率,利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件对双晶压电悬臂梁进行研究。首先,对悬臂梁结构的压电振子进行了稳态分析、模态分析和谐响应分析,同时对4种不同基板材料压电振子电压输出特性做了研究比较;其次,对悬臂梁压电振子结构进行了优化设计。对其形状的研究表明:矩形悬臂梁的输出电压最高;随着悬臂梁的长宽比增加,其输出电压逐渐增大;在压电材料面积固定时,增加长度、减小宽度都能提高输出电压,为设计最佳的能量采集器提供理论依据。     

基于变截面的叠层压电振子粘结层厚度优化分析

利用压电振子采集环境中振动能量的研究中发现粘结层厚度对压电振子的抗剪强度及发电性能均有较大影响。因此文中以变截面形状悬臂梁叠层压电振子为对象,利用ANSYS有限元分析软件仿真模拟了其粘结层厚度改变时对其抗剪性能、低频振动能量转换效率的影响。研究结果表明:随着粘结层厚度的增加,叠层结构中粘结层的抗剪强度有所提高,但对环境中的低频振动响应却减弱。综合分析表明,当变截面压电振子自由端尺寸为12 mm(约为矩形截面尺寸的85%),且粘结层厚度控制在约为基底层厚度的1/4~1/5时,叠层压电振子的能量转换效率及抗剪强度最理想。     

压电陶瓷矩形薄板振子的弯曲振动研究

在矩形薄板四边自由及简支两种边界条件下，导出了振子共振频率方程的解析表达式，研究了弯曲振动压电陶瓷矩形振子共振频率与其振动模式、几何形状及尺寸之间的相互关系．矩形截面压电陶瓷细长棒的弯曲振动以及细长条矩形振子的条纹模式弯曲振动，可以由本文理论直接导出．实验结果表明，振子弯曲振动共振频率测试值与理论值符合较好     

复合压电振子的ANSYS模态分析

在ANSYS的软件平台上,利用有限元分析方法对复合压电圆片振子进行建模仿真实验,得到在不同边界条件下复合压电振子弯曲振动一阶模态及振幅分布图,仿真振动频率与理论计算值非常接近.相对传统振动模式分析方法,此方法更为简单、直观.     

基于悬臂梁结构的压电能量收集器的机电转化效率分析

分析钢球和压电悬臂梁之间的碰撞过程,通过压电振子等效电路模型计算与实验数据分析,研究基于PMNT与PZT两种不同材料的悬臂梁压电能量收集器的输入机械冲击能量和输出电能之间的关系,分析各自机电转换效率受机电耦合系数的影响规律,采用钢球下落撞击悬臂梁结构压电振子的方式实现机械能到电能的转换.     

压电陶瓷矩形薄板振子的弯曲振动研究

在矩形薄板四边自由及简支两种边界条件下，导出了振子共振频率方程的解析表达式，研究了弯曲振动压电陶瓷矩形振子共振频率与共振动模式，几何形状及尺寸之间的相互关系。矩形截面压电陶瓷细长棒的弯曲以及细长条矩形振子的条纹模式弯曲振动，可以由本文理论直接导出。     

压电双晶片弯曲振动频率方程及其位移解

利用小挠度理论推导设计压电双晶片弯曲振动的频率方程,得到其弯曲振动位移解.利用有限元方法计算压电双晶片弯曲振动的谐振频率.对研制的压电双晶片振子测得其谐振频率,测试结果与有限元计算结果、利用压电方程和小挠度理论推导的频率方程求得的结果相吻合.这说明,所推导的频率方程可于设计自由边界压电双晶片振子.     

悬臂梁双压电振动能量采集器发电性能研究

为了收集环境中的振动能量,实现无线传感器网络节点等低能耗器件的自供电,针对电动机的机械振动,设计了一种可采集电动机振动能量的压电振动能量采集器。研究了电动机转速、负载阻值和悬臂梁自由端固定不同质量永磁铁块对压电振动能量采集器输出电压和输出功率的影响。实验结果表明,负载上电压随着负载阻值的增大而增大;输出功率不随负载阻值和所加永磁铁质量的增大,而是存在一个最优负载和一个最佳质量的永磁铁,当电动机的振动频率等于悬臂梁双压电振子的固有频率时,输出功率达到最大,并与理论计算值接近。     

悬臂梁双压电振动能量采集器的发电性能

为了收集环境中的振动能量,实现无线传感器网络节点等低能耗器件的自供电,针对电动机的机械振动,设计了一种可采集电动机振动能量的压电振动能量采集器。研究了电动机转速、负载阻值和悬臂梁自由端固定、不同质量永磁铁块对压电振动能量采集器输出电压和输出功率的影响。实验结果表明,负载上电压随着负载阻值的增大而增大;输出功率不随负载阻值和所加永磁铁质量的增大,而是存在一个最优负载和一个最佳质量的永磁铁。当电动机的振动频率等于悬臂梁双压电振子的固有频率时,输出功率达到最大;并与理论计算值接近。     

悬臂梁的振动抑制研究

该文以一套环氧树脂悬臂梁振动系统为研究对象 ,利用压电陶瓷片的正逆压电效应 ,采用C Builder语言编制控制系统软件界面 ,组建了一套悬臂梁振动控制系统。该系统能进行系统振动模态识别和开环特性测试 ,以及悬臂梁振动系统的独立模态控制。实验时 ,由FFT变换实时求得悬臂梁振动模态 ,根据模态分析法和模态控制法 ,在PPF位置正反馈控制律的基础上设计了独立模态控制算法 ,有效抑制了悬臂梁受到外界瞬时脉冲扰动时引起的一阶、二阶模态振动。     

风力机叶片等效悬臂梁模糊PID控制

针对嵌有复合材料的风力机叶片,其振动以挥舞为主要形式,能量主要集中在一阶、二阶,采用压电纤维作为敏感执行器件,组成压电智能控制系统,对风力机叶片振动进行研究.将风力机叶片等效为悬臂梁,基于压电材料的压电本构方程以及压电智能悬臂梁状态空间方程,采用模糊控制实现PID参数自整定,进行振动抑制并采用MATLAB进行值仿真,结果表明模糊PID在振动抑制上比普通PID有更好的自适应性,能够实现参数自动调整.     

基于有限元的双晶片悬臂梁压电俘能器的建模研究

以压电方程和内能为出发点,在压电片面积不变的情况下,利用ANSYS有限元软件和数学建模的方法分别建立了不同长宽比例(L/w)的双晶片悬臂梁压电俘能器的模型。分析了压电振子的不同长宽比对双晶片压电振子的输出电压大小的影响。仿真结果表明,压电俘能器输出电压的解析解和有限元仿真的数值解基本吻合,验证了数学模型的正确性;而且双晶片压电振子在串联的连接方式下输出电压值最高,而且压电振子的输出电压与压电片的长宽的比成线性的关系。     

弯曲型梯度压电悬臂梁受外加电场作用时的解析解

研究了弯曲型梯度功能压电悬臂梁的弯曲特性．基于弹性力学理论,得到了弯曲型梯度功能压电悬臂梁在受电场作用时关于力和电场的解析解．研究表明,当受外加电压作用时,弯曲型梯度压电悬臂梁中存在非零的应力．     

压电陶瓷用于柔性悬臂梁振动控制的试验研究

依据压电陶瓷驱动器的振动控制原理和梁表面的应变方程确定压电陶瓷片在悬臂梁上的粘贴位置,采用独立模态控制方法对柔性悬臂梁进行振动主动控制试验研究.为提高信噪比并保证后继控制的可靠性和有效性,对传感信号进行了滤波处理.试验结果表明,将压电陶瓷片布置在悬臂梁的合理位置上并采用主动控制方法,可以有效地抑制悬臂梁的振动,使悬臂梁前3阶模态的加速度及响应谱峰值均减小40%左右.