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.     

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。     

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。     

分段电极多悬臂梁压电振子多模态发电能力研究

研究一种分段电极配置多悬臂梁压电振子的多模态发电能力。通过分析悬臂梁压电振子沿梁长度方向的应变变化情况,获得不同质量比的压电振子在二阶弯曲振动时的应变节点位置。实验测试分段电极和连续电极配置多悬臂梁压电振子在不同谐振区的发电能力,并进行对比分析。结果表明,分段电极配置的多悬臂梁压电振子在二阶弯曲振动时的工作频率范围为400～480 Hz,其峰值输出电压约为连续电极的2.5倍,相比于连续电极配置,分段电极配置可有效提高多悬臂梁压电振子在高频振动时的发电能力,实现宽频俘能。     

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．     

压电振动能量收集器的等效电路建模分析与实验验证

提出了一种用于压电振动能量收集器的等效电路建模分析法.这种方法将有限元分析和电子电路分析相结合,根据机电类比机制,把压电振动能量收集器的建模问题从复杂的机械领域转换到纯电学领域进行分析.利用该等效电路法,建立并分析了线性和AC-DC非线性负载电路条件下双压电层并联的振动能量收集器电能预测模型.通过对比发现,经等效电路建模分析得到的电压和功率响应结果与实验测量结果的最大误差不超过5％,这充分证实了等效电路建模分析法能在避免理论建模时的复杂推导过程的前提下,保证电能预测模型的精确性.该研究为创建复杂机械和电学边界条件下压电振动能量收集器电能预测模型提供了一种新的、有效的解决途径.     

压电微悬臂梁振动能量采集器谐振频率和功率的研究

压电振动能量采集器可将自然界中广泛存在的机械振动能转换为电能,并且一直向微型化电源的目标迈进．为此,以矩形压电微悬臂梁结构作为换能单元,通过时压电层等效电流源和单相桥式整流电路的理论及相关公式的推导,得出微能量功率的计算公式．通过分析看出,在实际设计压电振动能量采集装置时,可采用适当增加质量块质量和减小梁长度的方式来满足整体结构在自然环境中实现低频谐振、获得较大的功率输出的设计要求．     

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.      

径向振动压电陶瓷薄圆盘振子的机电等效电路与共振频率研究

对轴向极化压电陶瓷薄圆盘振子径向振动进行了理论和实验研究.推出了其机电等效电路,得出了振子共振和反共振频率方程,探讨了振子共振和反共振频率与材料参数之间的依赖关系,给出了压电陶瓷薄圆盘振子的共振及反共振频率与其泊松系数之间的解析关系.实验结果与理论计算符合较好.