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。     

基于人体运动的磁力互动能量回收电池系统

压电振动能量收集器又被称为压电俘能器,传统的压电俘能器无法适用于低频率、多方向振动能量的回收。为打破传统压电俘能器的应用局限性,提出了一种能够收集多方向能量的环形十字式压电俘能器设计方案。根据压电晶体的特征参数选择PZT5H4E作为压电晶体,利用Solidworks对环形十字式结构进行设计,并对不同悬臂梁进行共振频率分析,选取能量转换效率更高的悬臂梁结构。仿真结果表明：将此压电俘能器固定在人的脚踝处,在人体运动激振频率下,最大输出电压约316.52 mV。     

具有不等长压电双晶片组的变频俘能器

提出了一种具有变频功能的压电俘能器,它由多个不同长度的压电双晶片组成.分别讨论了各晶片序列的串联与并联对俘能行为的影响.数值计算结果表明,俘能器的工作频率带得到了明显的拓宽,工作频率带的位置可以通过改变控制开关的开闭状态来改变并联分支个数,从而移动到指定的频率区域上.该俘能器能更加有效地从变频及多频环境振动源中提取能量来给微电子器件供能.     

圆柱斜切体涡激振动压电俘能器的输出特性研究

随着微机电系统的广泛应用以及能源日益短缺,为微机电系统持续稳定的自供能是亟待解决的问题。提出了一种新颖的带斜切角度圆柱体涡激振动压电俘能器,以拓宽工作频带和提高输出性能。对斜切角度分别为30°、45°、60°的圆柱斜切体及光滑圆柱的涡激振动压电俘能器进行建模,采用风洞实验对其进行验证。采用该模型对斜切角分别为30°、45°、60°圆柱斜切体及光滑圆柱涡激振动压电俘能器在最优负载及不同风速下的输出电压和功率进行研究。结果表明：当最佳负载为0.5 MΩ和风速在1.413～3.164 m/s时,不同斜切角度压电俘能器的输出电压和输出功率随着风速增大先增大后减小;在斜切角为30°和3.057 m/s下的输出电压最大为4.274 V,输出功率最大为0.037 mW。相对于光滑圆柱,带斜切角度压电俘能器拓宽工作频带和提高俘获性能。斜切角为30°压电俘能器的输出功率比光滑圆柱提高106%。该工作为设计高效的压电俘能器提供一种新的方法。     

基于二维流场的方形断面钝体气动性能分析

主要仿真分析基于二维流场的风致振动压电俘能器方形断面钝体的气动力,旨在探究方形断面钝体在不同攻角下的气动特性,为提高风致振动压电俘能器能量采集效率提供参考。首先通过与文献数据对比不同雷诺数下的斯托罗哈数,验证了有限元气动分析方法的正确性;然后分析二维流场中的方形断面钝体在0°～20°攻角下的横向气动力,通过多项式曲线拟合方法得到了气动力经验系数;随后通过对压电俘能器驰振控制方程进行数值求解,研究了风速对俘能器输出性能的影响。结果表明,在攻角为8°时,方形断面钝体的气动力性能最佳。在给定的参数条件下,压电俘能器的起振风速为2.6 m/s,风速6 m/s时,最大电压可达50.95 V。     

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.     

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。     

复合型压电俘能器的力电特性研究

研究了由金属及压电陶瓷构成的复合型压电俘能器的动力学及力电转换特性。基于薄板小挠度理论,对复合型压电俘能器进行振动分析,确定了在周期性均布载荷作用下该结构所产生电压、功率与其几何参数之间的关系。同时结合实验,研究了不同负载电阻情况下压电俘能器的输出功率并讨论了能量转换效率问题,并分析了压电俘能器的几何参数、不同金属材料对力电转换特性的影响。     

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。     

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。     

输送流体双腔并联压电泵性能分析与试验研究

为了提高压电泵的输出能力,采用压电双晶片进行驱动,设计了双腔并联被动截止阀压电泵,并加工了试验样机.对不同压电振子驱动方式(同步驱动或异步驱动)的双腔并联压电泵输出性能的影响规律进行了理论分析,分别以液体和气体为介质对样机进行了试验测试.测试结果表明:在110 V驱动电压下,工作频率小于400 Hz时,输送液体最大输出流量为1330 mL/min,2个振子异步驱动泵的输出能力好于同步驱动;输送气体最大输出流量为950 mL/min时,2个振子同步驱动和异步驱动泵的输出能力基本接近,从而确定了双腔并联压电泵输送流体时的最佳工作方式.     

基于压电的传感器自供电系统设计方法

针对规模化养殖场通风状态监测的需求,设计风致振动压电俘能系统解决监测传感器自供电问题.自供电系统由压电俘能结构和能量管理电路组成,可将风能转换为电能.分析和测试结果表明压电式俘能结构可输出电压10.88 V,功率6.975 mW;LTspice软件仿真结果表明能量管理电路可实现电压转换,并稳定输出电压3.3 V.根据机械系统与电路系统的相似关系,对自供电系统整体建模,Matlab/Simulink软件仿真结果显示:压电俘能结构输出电压10.87 V、功率6.989 mW,自供电系统终端可输出3.3 V电压,结果与俘能结构和能量管理电路仿真、测试结果基本一致,说明系统整体建模正确,方案合理.通过现场测试,通风口处风速为2.6 m/s时,自供电系统能够输出电压3.3 V,为监测传感器稳定供电,该研究可在通风监测传感器自供电系统中广泛应用.      

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.      

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.     

并联双稳态非线性悬臂压电俘能器的动力学与俘能特性的研究*

对并联的双稳态非线性悬臂压电俘能器的动力学和俘能特性进行了研究。建立了并联双稳态非线性悬臂压电俘能器的机电耦合方程。利用数值仿真方法,对非并联和并联的双稳态俘能器的混沌边缘及俘能效果进行了分析和比较。研究结果表明:并联双稳态非线性悬臂压电俘能器可以提高俘能效率;而其工作频带宽度与混沌边缘间的周期运动区域宽度相关。     

压电俘能器磁力限幅结构设计与优化

针对悬臂梁式PZT俘能器的压电陶瓷片经过长时间循环振动后常常会出现裂纹甚至发生断裂的问题,提出了俘能器的磁力限幅结构方案. 采用ANSYS软件对原结构以及限幅以后的结构进行谐响应分析. 结果表明,磁力限幅方案有效地减小了结构中的最大应力. 对磁力限幅方案进行了优化,并通过仿真证明了优化后的结构在俘能器获得最佳俘能效果的前提下,可有效控制压电陶瓷片的疲劳断裂.     

压电俘能器涡激振动俘能的建模与实验研究

针对微机电系统和传感器等低能耗电子产品的持续供能问题,提出了一种涡激振动式压电俘能器。该俘能器由压电悬臂梁和末端圆柱体组成,结构简单,可在较低水流流速下产生涡激共振,得到较大的能量输出。通过数学建模和实验测试的方法,研究了水流速度和外接电阻对压电俘能器振动和俘能的影响规律。实验结果表明:压电俘能器的振动频率随流速的增大而增大,振动幅值在涡激共振时最大,输出功率受流速和外接电阻两者影响,较小外接电阻适合较高流速,较大电阻适合较低流速,压电俘能器在涡激共振处可获得最大的能量输出,当外接电阻为0.5 MΩ、流速为0.41m/s时,实验测试得到了8.3μW的最大输出功率。数值分析结果与实验测试结果吻合较好,验证了数学模型的正确性。     

耦合双梁的非线性压电俘能器设计及仿真研究

针对传统双稳态压电俘能器在低幅值激励下不易进行高能阱间运动的问题,设计了一种耦合双梁的非线性压电俘能器.利用集中参数法对系统进行了数学建模.对传统双稳态俘能器与本文所设计的俘能器进行了数值仿真,对比分析了两者在简谐激励与线性升频激励下的动态响应及俘能性能.仿真分析结果表明,通过调整系统结构参数,该非线性俘能器在工作频带...     

弱振动环境中的压电俘能器

研究了一种能从弱振动环境中有效俘能并储能的压电俘能器,分析了该器件将机械能转化成交流电和直流电并最终储存到化学电池的全过程.利用能量平衡条件,确定了直流升压变换器的占空比与俘能结构的输出整流电压之间的关系,该关系式使得人们可以通过调节电路参数占空比来改善俘能结构的性能,以保证在环境振动变化时,俘能端也能随之调节到最优工作状态.计算表明:有直流升压变换器的压电俘能器充电效率比没有时的充电效率要提高好几倍.