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。     

双稳态压电-电磁复合俘能器非线性动力学分析

提出一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电材料的双稳态悬臂梁式压电-电磁复合俘能器结构。考虑到大变形时材料的几何非线性特点,基于Euler-Bernoulli梁理论和Hamilton原理建立系统分布式参数模型,采用Galerkin法与谐波平衡法给出响应解析解;利用MATLAB仿真分析激励频率、激励幅值、磁铁间距和负载电阻对系统输出性能的影响,并运用龙格-库塔法分析俘能器的非线性动力学特性;通过电路仿真研究悬臂梁在不同振动状态下的整流滤波特性。结果表明：随着激励幅值的提高,系统阱间运动的频率带宽会逐渐增大;存在一组最优的压电负载和电磁负载,使得系统输出总功率达到最大;负载的改变不会影响阱间运动的频带宽度;随着激励的增强,系统在混沌运动和周期运动间进行状态转换,可以利用标准桥式整流滤波电路进行周期运动时的能量采集,但该电路无法稳定收集混沌运动时的系统输出。     

一种非线性双稳态人体运动能量俘获技术

针对传统线性压电悬臂梁频带过窄且难以与人体运动相匹配的问题,考虑人体小腿的运动特点,设计了一种双稳态磁耦合压电悬臂梁应用于人体运动能量俘获,利用运动过程中小腿的摆动及其与地面间的冲击产生的加速度使悬臂梁跨越势阱提高俘能效率。以哈密顿原理及人体运动信号为基础,建立了用于人体运动能量俘获的非线性动力学模型。根据人体腿部运动的振动特征设计了一种便携式非线性振动能量俘获系统,实现了线性、非线性单稳态和双稳态等动力学特征。采用实际腿部振动信号进行的理论模型数值仿真表明:双稳态人体振动俘能技术能够产生大幅度跨越势阱运动并俘获较多的电能。人体不同运动状态的实验结果验证了非线性双稳态人体能量俘获技术的优势以及所建立的机电耦合模型的有效性。当运动速度为8km/h时,双稳态系统的平均功率达到最大值23.2μW。     

基于Morris方法的压电悬臂梁结构参数灵敏度分析

作为常见俘能器之一的压电俘能器，其结构参数的合理化设计决定着俘能器输出功率的大小，分析影响压电俘能器输出功率的关键结构参数具有十分重要的意义。以压电双晶梁为研究对象，运用Morris方法对其结构参数进行了全局灵敏度分析，并使用正交试验方法对灵敏度排序结果进行验证。结果表明，在给定参数变化范围内，压电梁厚度和长度分别是影响谐振频率和峰值功率的两个最重要参数。压电梁宽度对系统输出性能影响最小，且与其它参数的交互性相对较弱。灵敏度分析方法对压电悬臂梁结构优化设计具有指导意义。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

压电-电磁复合式俘能器的归一化机电耦合模型与分析

针对设计的压电-电磁复合式俘能器,建立其归一化机电耦合模型,利用数值计算和实验测试分析在不同耦合强度下俘能器的振动特性和输出功率. 研究结果表明,在谐振频率点处,当负载匹配时,俘能器的输出功率最大;随着耦合强度增大,俘能器的输出功率、俘能带宽、谐振频率点偏移值也增大. 对于弱耦合和强耦合,复合式俘能器的输出功率大于基于单一俘能机理的压电式或电磁式俘能器的输出功率. 此外,复合式俘能器的最佳负载电阻与耦合效应的强度有关.     

高压气体激励式压电俘能器的设计与实验

为满足对气动系统无线传感网络的供电需求,设计了一种密封性能优异、外置型气体激励式压电俘能器,搭建了俘能特性实验测试系统.以换向阀换向过程产生的交变气体为激励,通过改变换向冲击压力和负载电阻,分析峰值电压和峰值功率,探究了俘能器的俘能特性.结果表明:换向冲击压力越大,俘能器产生的峰值电压越高;负载电阻增大,峰值电压升高,且升压时间增长;当负载电阻在70～5 500 kΩ范围内时,会出现较高峰值功率;当换向冲击压力为0.4 MPa时,最大输出峰值功率可达90.03 μW.     

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.     

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。     

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。     

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。     

谐振梁连接方式对压电俘能器发电性能的影响

为了提高复合结构压电俘能器的发电能力,本文研究了谐振梁与压电主梁的连接方式对系统发电性能的影响。使用有限元法分别得到了常规的单梁结构、附加水平谐振梁和竖直谐振梁后的复合结构压电俘能器的输出功率-激励频率以及输出功率-外负载关系曲线,并进行了比较研究。结果表明,相比于单梁结构及附加水平谐振梁的复合结构,附加竖直谐振梁的复合结构压电俘能器不仅可以得到两个更接近的谐振频率,而且两个最优功率分别比单梁结构提高了5.45倍和2.88倍,宽频效果显著。     

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.     

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.     

端部质量块对悬臂梁型挠曲电俘能器性能的影响

端部质量块对悬臂梁型挠曲电俘能器的性能具有显著的影响.以电吉布斯自由能为基础,基于Euler-Bernoulli梁模型,利用挠曲电材料的变分方法,推导带端部质量块的挠曲电俘能器结构的机电耦合动力学控制方程和相应的力电边界条件;利用分离变量法推导结构在短路条件下的振型正交条件和归一化振型参数;结合模态叠加法推导出挠曲电俘能器在外加简谐激励条件下位移和电势响应的解析形式.数值分析结果表明,端部质量块质量的增加和尺寸的减小可以提高俘能器输出功率并降低其共振频率,并且具有调节挠曲电俘能器最优外加电阻负载的功能.此外,当端部质量块尺寸一定时,端部质量块的质量越大,采用质点模型分析所带来的误差越明显.