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。     

捕食-食饵模型中的随机共振

由统一色噪声近似理论和随机共振的双态理论研究了耦合的乘性色噪声和加性白噪声驱动的捕食-食饵模型(The Predator-Prey Model)中的平均首通时间和随机共振现象,在噪声不同的关联时间和噪声间不同的耦合强度下求出了系统的平均首通时间T和信噪比SNR,讨论了系统的各种参数对信噪比的影响.     

具有乘性色噪声的线性振荡器的随机共振

研究了具有耦合的两个乘性色噪声的欠阻尼线性振荡器的随机共振现象.基于线性系统理论,得到了平均输出幅度增益的精确表达式.分析表明,系统的输出幅度增益及增益的峰值高度是耦合噪声强度、这两种色噪声的强度和相关速率以及外场驱动频率的非单调函数.     

圆盘形压电陶瓷复合变压器的等效电路和特性

研究了由压电陶瓷圆盘,金属环,压电陶瓷环组成的圆盘形压电陶瓷复合变压器。推导了这种压电变压器的等效电路,输入阻抗,共振、反共振频率方程和电压增益方程。分析计算了压电变压器尺寸变化对频率、有效机电耦合系数的影响。研究了负载变化对压电变压器频率、有效机电耦合系数的影响,探讨了电压增益与负载的关系。研究表明,变压器随壁厚比的升高共振和反共振频率皆升高,有效机电耦合系数降低;随负载的升高,共振、反共振频率及电压增益升高,有效机电耦合系数降低。     

基于风致振动效应的压电能量收集器技术

在新型环境能量收集技术领域,风能和压电能量收集已成为一个研究热点,通过利用风能转化为振动能量,即风致振动效应是一个新的研究方向.为给风致振动效应的压电能量收集器的研究和应用提供参考,综合分析中外基于风致振动效应的压电能量收集器的研究现状和发展趋势.结果表明,风能到振动能量的转化过程主要以颤振、驰振和共振腔型的风致振动能量为主,振动能量到电能的转化过程以压电效应为主,磁电和摩擦发电为辅,对于要求高功率密度和高发电能量的场所,以共振腔型风致振动能量收集为主要的发展趋向.     

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。     

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。     

一种新型径向复合压电陶瓷超声换能器径向振动特性研究

研制了一种新型径向复合压电陶瓷超声换能器,并对其径向振动特性进行了理论及实验研究.该换能器由一个厚度方向极化的压电陶瓷薄圆环及一个金属圆环组成.对压电陶瓷圆环和金属圆环的径向振动分别进行了分析,得到了各自机电等效电路.在此基础上,利用换能器径向力及径向振动速度的连续条件,得出了压电陶瓷径向复合超声换能器机电等效电路及其共振频率方程.分析了换能器的共振及反共振频率、有效机电耦合系数与其几何尺寸之间的关系.结果表明,在换能器压电陶瓷圆环内外半径保持一定情况下,换能器半径比增大时,共振及反共振频率随之增大.对于换能器第一阶径向振动,其有效机电耦合系数随半径比增大单调增大,而第二阶径向振动有效机电耦合系数随半径比增大单调减小.     

调幅波调制噪声的单模激光随机共振

将噪声和调幅波以相乘的形式引入到单模激光系统,用调幅波调制色抽运噪声,采用线性化近似方法计算了由色抽运噪声和色量子噪声驱动下的光强相关函数,通过对相关函数的傅里叶变换,得到光强的功率谱及信噪比.结果表明:信噪比随着抽运噪声自关联时间τ1和载波信号频率ω的变化均出现了广义随机共振;当抽运噪声自关联时间τ1大于某一值时,信噪比R是正值,R随τ1的增大出现一个极大值,即出现随机共振现象;信号和噪声引入形式不同,随机共振的形式也不同.     

基于分步耦合的压电分流薄板动力学建模与分析

为了有效实施压电分流阻尼减振,创建一个能预估其减振效果的动力学分析模型以指导减振设计.根据压电分流薄板结构,提出了一种将基体结构和分流电路分别建模并通过压电片将二者耦合起来的分步耦合建模方法.在ANSYS软件平台上,详细描述了面向压电分流薄板结构采用分步耦合法的建模流程.实验验证了建模方法的合理性,压电分流阻尼对结构具有较好的减振效果,降低共振响应幅度可达50%以上.分析了电感值、压电片贴敷位置、压电片面积等参数对薄板振动响应的影响.结果表明:对于电阻-电感串联及并联分流电路,存在一个最优的电感值可使薄板减振效果最优;压电片贴在变形较大的区域及增大压电片尺寸对减振有利.     

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。     

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%.      

大功率径向振动压电超声换能器

对一种大功率径向复合圆管压电超声换能器的径向振动特性进行了研究.依据机电类比原理,推出了换能器的径向振动等效电路及共振频率方程;探讨了换能器的第1、第2阶共振频率和有效机电耦合系数与压电陶瓷元件位置的关系;实验测量了换能器的径向共振频率.结果表明,换能器径向共振频率的理论值与实测值符合较好.     

压电点火材料参数的关联性与综合性选择

从压电方程导出压电点火电压与能量公式，且以二次压电效应及机电耦合关系分析了各能量之间、有关压电材料参数之间的关联性，对压电点火材料参数的综合性选择给出了一般性结论。     

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.     

MnSb系压电陶瓷材料sol—gel法合成工艺研究

采用sol-gel工艺制备了钙钛矿结构的锆钛酸铅压电陶瓷材料(PZT)，用先驱体合成法制得了PMS、PZN，然后以制得的PZT、作为基料，与PMS、PZN一起合成PMZN压电陶瓷，探讨了PZT、制备工艺对材料结构和性能的影响．结果表明：sol-gel法合成PZT粉制备的PMZN系压电陶瓷材料具有机电耦合系数高，介质损耗小，介电常数与机械品质因数适中等特点：sol-gel工艺降低了材料的烧结温席．改善了材料的介电与压电性能．提高了谐振频率．     

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。