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。     

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。     

低频楼梯压电发电装置的数学模型和实验

 为收集和利用密集人群对楼梯的踩踏能量,设计了一种基于低频的新型楼梯压电发电装置,基于RLC 等效内阻建立了该装置的发电电路和数学模型;利用搭建的振动实验平台,对等效电路和数学模型进行实验验证。结果表明,在低频条件下,激励位移越大,频率越小,该压电发电装置输出的电能越大;压电发电单元的实验输出电压为电路中等效电阻Z₂的电压,利用数学模型计算得到的理想电压源电压是实验空载电压的2.64~2.88 倍;通过对实验数据的分析计算,得到了与理论计算电压变化规律相一致的实验电压源电压,两者最大误差为7.1%,验证了该压电发电单元等效发电电路和数学模型的正确性。     

内置压电臂流致振动能量收集研究

为了减少压电臂在水中的阻尼以及绝缘和腐蚀等问题,本文提出一种内置悬臂梁的水下压电能量收集装置。首先对带有质量块的压电臂进行了自由振动衰减实验,确定压电臂的固有频率、阻尼比以及机电耦合系数,得到了压电臂固有频率与阻尼比随负载电阻变化的规律。之后在水槽中进行了流致振动能量收集实验,通过调节流速大小,在同一流速下更换不同阻值负载,得到输出电压及功率随流速及电阻的变化规律。结果表明输出电压随着负载电阻的增大而增大,在某一流速下会产生锁频现象,使得输出电压及功率最大。数据分析得到各电阻的最大功率出现在U=0.816 m·s~(-1)处,系统的最大功率出现在电阻值为680 kΩ时。     

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.     

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.      

双端固支梯形梁压电俘能器机电耦合模型与试验分析

针对环境中的低频振动能量,基于双端固支梁压电结构,建立了梯形梁压电俘能器的机电耦合振动模型,并通过试验对其进行了验证.结果显示,数学模型与试验结果相吻合.当梯形梁结构在1阶谐振（96.85 Hz）状态,且激励加速度2 m/s2时,结构单侧开路输出电压峰值可达44.43 V,最大输出功率为6.16 mW.另外,双端固支梯形梁结构与矩形梁结构的比较试验结果显示,双端固支梯形梁压电结构可以有效降低谐振频率,输出开路电压较矩形结构提高22.7%,输出最佳负载功率较矩形结构提高33.0%.      

基于Y参数的压电变压器端口串-并联接特性研究

基于压电变压器的经典集总参数等效电路模型,压电变压器串-并联接的电气特性由导纳矩阵Y参数描述,导出了电压增益、输出功率和效率与单片压电变压器的模型参数和压电变压器联接个数的关系表达式,并采用径向振动型压电变压器模型参数进行了仿真分析.测试了电压增益为0.0816、输入和输出隔离的两片降压压电变压器,在相同负载20 Ω时,端口串-并联接后的电压增益达到0.0406.计算和实验结果表明,压电变压器端口串-并联接能够进一步提升降压比.因此,压电变压器串-并联接可以作为实现降压的一种方法.     

超声测距换能器振动系统的理论设计与测试

讨论了采用复合压电振子的测距换能器振动系统的设计方法,推导出在自由边界条件下复合压电振子的频率方程.找出某一特定频率下测距换能器的几何参数,并进行相同尺寸下的测距换能器实验验证.最后得到设计测距换能器振动系统的几何参数.     

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.      

悬臂梁压电发电机的基频谐振频率与功率

为了消除悬臂梁振动压电发电机的Roundy理论模型因未考虑质量块长度而带来的误差,在考虑质量块长度的前提下,以质量块质心作用于悬臂梁处的挠度为自由度,建立了悬臂梁振动压电发电机的模型,并得到了基频谐振频率、输出电压和输出功率的理论表达式.数值仿真表明:当质量块长度与悬臂梁长度接近时,该模型与Roundy模型之间的偏差较...     

可修调高稳定性RC振荡器设计

设计了一种广泛应用于开关电源的可修调高稳定性单边锯齿波RC振荡器。采用芯片内部5 V线性稳压电源供电,用外部电阻电容确定振荡频率,加入电阻修条技术以调整由于工艺容差引起的振荡电路放电时间的变化。在输入电压为4.9～5.1 V,温度范围为-55℃～125℃,以及三个电阻工艺容差的情况下,进行了HSpice仿真,结果表明,同一工艺条件下振荡器周期的最大偏差为2.8。使用1μm双极工艺流片,振荡电路测试结果表明,频率偏差仅为1.8。     

不同力和温度对PVDF压电薄膜压电系数的影响

为揭示在不同力和温度条件下PVDF压电薄膜介电常数的特性,利用MTS伺服液压试验机和分离武Hopkinson压杆装置对PVDF压电薄膜施加了不同形式的载荷,试验采用的温度是在293-363 K之间.为将PVDF 压电薄膜所感受的电荷量转成电压.制作了源跟随测量电路,问接获得压电系数D33.结果表明:(1)低噪声源跟随电路可有效测量PVDF 薄膜输出;(2)PVDF压电薄膜的压电系数D33对温度很敏感;(3)D33值在加载初始阶段波动很大,所以实际应用中应给PVDF提供一个预压载荷,以确保有一恒定的压电系数D33;(4)当压载荷沿倾斜方向作用在PVDF 表面时,由于有剪切力作用,D33 值会随着倾斜角的变化发生显著改变;(5)PVDF 薄膜具有很宽的频响,更适用于测定不同载荷条件下的侵彻或冲击等动态载荷.