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。     

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.      

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.     

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。     

压电振子对压电泵极限输出压力的影响

为了解决压电泵设计中极限压力计算及压电振子的选用问题,提出了一种在恒定电压下通过压电振子参数计算压电泵极限输出压力的方法。在弹性小变形的基础上,应用弹性力学板壳理论的相关内容,通过振子变形量相等引入等效集中力及振子出力系数概念对压电振子的输出力特性进行研究,得出了等效集中力和压电泵极限输出压力关于压电振子参数的解析表达式。使用Matlab在各参数的常用范围内对模型进行了计算,分析了压电振子各个参数对极限输出压力的影响方式及取值范围。分析及实验结果表明:胶水的弹性模量及各层材料的泊松比对总体性能影响较小,在振子设计中不做考虑;基板厚度在0.8mm以下时,输出压力随其厚度增加而线性增加;在基板厚度大于0.4mm、陶瓷厚度小于0.3mm的条件下,陶瓷厚度降低输出压力增加现象最为明显,并且计算数值解与实验结果吻合。     

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。     

一种基于碰撞的压电宽频能量收集装置

研究了一种基于碰撞的压电宽频能量收集装置,从理论上分析了该能量收集装置输出开路电压与悬臂梁尖端位移的关系;利用等效电路,分析了负载输出功率与负载电阻的关系,得出了最大输出功率的负载条件.搭建了一套测量系统,以实现对悬臂梁尖端位移和能量收集装置输出电压的测量,得到了能量收集装置随外界振动频率及振动幅度变化的输出特性曲线,并与单梁结构的能量收集装置结果进行了比较.实验结果表明,相比于单悬臂梁结构,基于碰撞的压电宽频能量收集装置能有效地拓宽工作频率范围,实现了宽频能量的收集.     

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．     

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。     

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。     

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。     

一种低频压电俘能器准静态分析与能量收集试验

针对环境中的低频振动能量,基于低频悬臂梁压电结构,建立了压电俘能器的准静态振动模型,并通过数值仿真与试验对其进行了验证.结果显示,数学模型与数值仿真及试验结果相吻合.当该结构在一阶谐振（58.9 Hz）状态,且激励加速度10 m/s2时,结构开路输出电压可达86.3 V,最大输出功率为27.5 mW.另外,针对压电俘能器的能量存储问题,采用LTC3588-1芯片,设计了相应的能量采集电路,并进行了超级电容充电试验.结果显示,对0.22F 5 V超级电容充电6 000 s可达到3.6 V电压.      

几种压电电磁复合俘能器的发电性能实验研究

针对线性的单一的振动能量俘能器存在工作频带狭窄、输出效率低等问题,提出了3种压电电磁复合式俘能器结构,可增大对环境中振动能量的俘获。首先,设计了无磁力单梁压电电磁复合俘能器,该结构俘能器仅设有上方的压电单梁,压电梁首端的磁铁进入到固定的线圈中;然后,设计了磁力刚性梁压电电磁复合俘能器,该结构俘能器在无磁力装置的基础上增加带有磁铁的刚性梁,当两块磁铁极性相对时,则产生磁斥力;接着,设计了磁力双梁压电电磁复合俘能器,该结构俘能器是将磁力刚性梁装置中的刚性梁换作与压电梁相同尺寸的悬臂梁,两磁铁位置保持不变,形成双梁系统;最后,对3种俘能器的发电性能分别进行实验研究,对比分析3种俘能器的输出功率和输出压电值。实验结果表明：磁力的引用,提高了电磁的发电性能,但同时也降低了压电梁的输出功率;双悬臂梁的加入,增加了装置的自由度,拓宽了装置的工作频带;3种俘能器的发电综合峰值基本相当;无磁力单梁装置中的压电发电性能最好,更适合高阻抗环境;磁力双梁装置中电磁发电性能最优且压电输出存在双峰值,更适合宽频带、低阻抗环境。实验结果证明了磁力双梁压电电磁复合结构俘能器可俘获能量的频带最宽,具有较优的输出性能。     

基于模态局部化的耦合悬臂梁能量收集分析

为提高能量采集效率和拓宽能量采集效率范围,基于模态耦合原理,设计出一种机械耦合式悬臂梁结构.通过设计弹性连接的悬臂梁能量收集器,利用长度非对称诱发结构模态产生局部化现象,以假设模态法为指导,建立悬臂梁能量收集器的运动微分方程.基于理论模型、仿真模型和实验验证对能量收集进行研究,通过实验测量出耦合悬臂梁能量收集器的振动频率、电压和功率等信号.实验结果与仿真结果相互佐证,证明了压电悬臂梁能量收集器不仅能够提高频率带宽,而且也提高了收集效率.     

面向智能轴承自供电系统的压电-摩擦复合式振动能量采集器

针对智能轴承外圈径向开槽结构中以电池供能的状态监测设备存在应用场合受限的问题，提出了一种适用于智能轴承自供电系统的压电-摩擦复合式振动能量采集器。该能量采集器以带双质量块的三角形单晶压电悬臂梁为基础，在悬臂梁的振动方向上有机集成兼具限位功能的摩擦纳米发电机，实现了振动和限位碰撞过程中压电-摩擦电两种模式的复合协同发电，有效利用了空间并提高了输出性能。同时，利用集中参数法建立了能量采集器的机电耦合动力学模型，通过COMSOL软件分析了不同结构与尺寸对压电悬臂梁固有频率和输出电压的影响，并通过试验验证机电耦合动力学模型与仿真分析的准确性。试验结果表明：所提能量采集器能够在0～28.2 m/s²的智能轴承正常工作振动加速度范围内有效工作；在加速度为2 m/s²时，该采集器的压电和摩擦电单元开路输出电压最大峰峰值分别可达1.28 V和1.05 V;在加速度为20 m/s²时，该采集器的压电和摩擦电单元开路输出电压最大峰峰值分别可达2.85 V和1.18 V。     

基于涡致振动的内置压电悬臂梁柔性圆管能量收集结构的数值模拟

为了分析基于涡致振动的内置双晶压电悬臂梁柔性圆管压电能量收集结构的运动机理和性能,对其进行了流固耦合和压电耦合数值模拟。对一端固定一端自由的柔性圆管进行了流固耦合数值模拟,在流速为1.1 m/s,柔性圆管直径D为0.03 m,高度为0.11 m时,该结构的涡致振动能够处于稳定的锁频状态。对折合速度为1.3～4.0,中心距为3D～6D的前置等径刚性圆柱阻流体的柔性圆管进行了流固耦合和压电耦合的数值模拟。研究结果表明,柔性圆管的振幅响应和压电悬臂梁的开路输出电压均随折合速度的增大而增大,在仿真参数范围内,结构的振幅响应和输出电压时程曲线均为稳定的周期函数。当折合流速为4.0,中心距为5D时,结构产生的振幅最大,为2.38×10~(-3) m,电压为6.75 V。证明了根据不同流速,可以通过调节圆管的结构参数以使涡致振动产生锁频现象,从而得到最大振幅和输出电压,进而可将其用于电能收集,为下一步能量收集结构的实验制备提供了理论参考。     

压电能量俘获系统建模及仿真

针对压电悬臂梁结构能量俘获系统进行建模,利用电路系统和机械系统的相似关系,将压电俘能结构模型等效为电路系统模型;为建立压电能量俘获系统完整模型,基于LTC3588-1为核心的能量转换电路等效为降压及整流电路,并利用LTspice软件仿真验证该等效电路的正确性.在Matlab/Simulink系统中搭建压电能量俘获系统整体模型并进行仿真,根据仿真结果对模型参数进行优化.通过对实验数据对比、分析,验证系统模型的合理性,结果表明系统可以稳定输出3.3 V直流电压,最佳阻抗匹配条件下,输出功率为2.6 mW.      

尾流振子涡激振动能量收集系统设计

对尾流振子模型进行了数值模拟分析,运用格子Boltzmann方法对流场进行求解,得到最适合能量收集的尾流振子两柱间距和流体雷诺数.采用压电悬臂梁结构,结合流机电耦合方程对不同雷诺数(5 000≤Re≤15 000)下涡激振动的能量收集特性进行分析.结果表明,当7 000≤Re≤12 000时为涡激振动的锁振范围,当Re为8 000时振幅最大.改变两柱间距,对尾流振子模型的能量收集特性进行分析,可得所设计系统的理想间距为0.11 m,产生电压为38 V.当两柱间距为理想间距时,尾迹旋涡形态图中平行于Y轴的方向只有一个独立涡,此时振幅最大.     

主动式压电俘能电路研究分析

现有的压电俘能器大多是针对某一较窄频率范围内的振动情况而设计,但周围环境的频率范围非常宽泛且随时可能发生变化,导致一般俘能器很难实现能量俘获或俘能效率低,为了解决这一问题,设计了一种新的T型压电悬臂梁作为俘能装置。从结构设计和电路设计2方面出发,进行了静力学分析、模态分析和谐振分析,得出压电结构装置的固有频率和激振力频率等响应,对新型的主动式俘能电路进行设计,计算电路的功率损耗以及元器件损耗量。通过对主动式俘能电路进行计算仿真验证,以及对主动技术和被动技术进行对比分析,得到主动技术所获得的最大功率是被动技术的5倍。由此可知,运用电压控制型主动边界控制方法进行接口电路设计,主动利用每个压电换能周期中触发的电学边界条件,可有效增加输入压电俘能器的机械能,进而增大输出的电能。该研究创新了利用压电材料主动俘能的方式,对压电俘能的发展有积极的促进作用。