磁力耦合阵列式压电俘能器振动特性研究

振动能量收集技术有望解决无线传感节点自供电的难题。通过引入非线性磁力,本文设计了一种磁力耦合阵列式压电俘能器(MA-PEH)。基于磁偶极子法建立非线性磁力模型,利用有限元方法获取组合梁的恢复力模型,根据牛顿第二定律及基尔霍夫定律建立系统的动力学模型。仿真分析了激励幅值、激励频率对动力学响应的影响规律,并进行实验验证。研究结果表明:在非线性磁力作用下,系统在谐振频率附近出现混沌和阱间周期运动,这将有利于拓宽俘能器的工作频带;随着激励频率改变,各组合梁始终保持相同的运动状态,当系统处于阱间周期运动状态时,只存在一种类型的组合梁处于高能输出状态。当激励频率分别处于两个组合梁的谐振频率附近时,增大激励幅值,将导致一种类型的组合梁输出被提升,而另一种类型的组合梁输出被抑制。

基于S-SSHI和SECE混合的压电阵列能量俘获电路设计

串联同步开关电感(Series Synchronous Switch Harvesting on Inductor,S-SSHI)电路输出功率高整流电压范围窄,而同步电荷提取(Synchronous Electric Charge Extraction,SECE)电路则输出功率低整流电压范围宽。提出了一种基于S-SSHI和SECE混合的压电阵列能量俘获接口电路,以实现整流器峰值输出功率和最佳整流电压范围之间的平衡。所提出的电路去除了整流桥结构,而采用简单的无源峰值检测器设计,且可以在任意相位差(0~2π)下从多个压电换能器中提取能量。仿真和实验结果表明,所提出的电路具有较高的输出功率和较宽的整流电压范围,与多输入全桥整流器相比,最大输出功率提升了3.04倍。

基于同步电荷提取和翻转的可扩展异质能量俘获电路

为了提供更加稳定可靠的能量,针对异质能的混合能量俘获问题,提出了一种基于同步电荷提取和翻转的可扩展异质能量俘获(Extensible Synchronous Charge Extraction and Inversion for Heterogeneous Energy Harvesting,EH-SCEI)电路。所提出的EH-SCEI电路,利用无源的峰值检测电路和RC微分电路在压电电压峰值时实现异质能源同步提取,并提出将部分电荷提取到储能端而另一部分电荷进行翻转以提高俘能效率的方法。仿真和实验结果均表明,所提出的电路可以对多个具有任意相位差的压电换能器进行能量采集并可根据实际的应用场景进行扩展;与现有电路相比,在输入输出范围、负载相关性、俘获效率等性能上,均有较大改善。

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。

基于同步翻转电荷提取的压电能量俘获电路设计

提出了一种高效自供电同步翻转电荷提取(SP-SICE)电路,该电路具有无需整流桥,且能自供电的特点。电路采用下拉电阻设计改进了翻转倍压结构,减少了因电感感抗产生的能量消耗问题,提高了翻转倍压时的能量收集效率。实验结果表明,高效SP-SICE电路平均稳定输出功率是标准能量俘获(SEH)电路的2.76倍,是SICE电路的1.44倍。

激励电压对压电阻抗法检测灵敏度的影响

研究了锆钛酸铅压电陶瓷(lead zirconate titanate piezoelectric ceramic,简称PZT)传感器的激励电压与压电阻抗法(electro-mechanical impedance,简称EMI)结构健康监测技术灵敏度之间的关系。借助WK 6500B精密阻抗分析仪及自行搭建的高激励电压电阻抗测试系统(high excitation voltage electrical impedance measurement sys-tem,简称HEVEIMS),在0.01～20V之间8种不同激励电压下,对尺寸为1250mm×100mm×3mm铝梁结构上距离PZT传感器1 000mm的直径为1.2,2.5和3.5mm的通孔损伤进行了检测。研究结果表明,激励电压与检测灵敏度之间的关系是非单调的。在1～10V范围内,提高激励电压能够显著增大EMI方法的检测灵敏度。高激励电压下PZT电阻抗信号中非线性成分增多是导致EMI方法检测灵敏度升高的主要原因。研究结果不但为EMI检测中激励电压的选取提供了参考,也为明确激励电压与检测灵敏度之间的相关关系提供了数据支持。

宽频压电振动能量采集器的实验研究

为改善线性单频谐振式压电振动能量采集器的输出性能,研制了双自由度宽频压电振动能量采集器样机模型,搭建了样机实验测试平台,研究了系统刚度比和负载电阻等参数对能量采集器输出性能的影响。通过调节系统刚度比,不仅可以拓宽压电振动能量采集器的工作率带,还提高了压电振动能量采集器的输出电压和输出功率。结果表明:在基础振动加速度为40m/s^2和负载电阻为471kΩ条件下,双自由度宽频压电能量采集器的工作频带是单频系统的7倍,最大输出功率是单频系统的4.5倍。

一种压电能量收集与管理电路

根据压电元件的特性提出一种压电能量收集与管理电路。它包括一个基于电感的并联同步开关收集电路(P-SSHI)、一个控制电路和一个DC-DC电路。该P-SSHI电路只需要两个开关,仿真的结果显示其收集的能量相比传统的AC-DC电路提高5倍以上;DC-DC电路工作在电流断续模式下(DCM),这有利于降低功耗,提高轻载效率,且仿真结果的输出电压为3.3 V,电压精度为0.02%。这种压电能量收集与管理电路能够为微功率设备提供稳压。

悬臂梁式压电振动能量收集系统输出功率的优化研究

针对环境振动能量较小、振动源频带较宽导致压电能量收集系统输出功率较低的问题,探究了悬臂梁式结构能量收集系统采用并联或串联电感优化统输出功率的方法和特性,分析了不同并、串联电感值对输出功率的影响.鉴于压电悬臂梁的工作频率较低,匹配电感值较大,采用无损模拟电感进行了实验验证.理论分析与实验结果均表明,在不同的激振频率下对应不同的匹配电感值,在偏离谐振频率附近也可获得与谐振状态几乎相同的最大输出功率,从而拓宽了工作频率,提高了压电振动能量收集系统的能量收集水平.当激振频率分别是谐振频率的0.8和1.2倍时,并联或串联电感获得的最大输出功率分别是无电感纯电阻负载的26.4倍和18.2倍.

PVDF水听器加速度响应特性的有限元分析

本文用有限元法分析了压电高聚物PVDF圆柱形水听器的材料参数与几何尺寸对其加速度响应的影响。针对理论分析，进行了水听器加速度响应实验，实验结果与理论分析基本相符。

多层压电陶瓷变压器振动模态分析与测量

介绍了多层压电陶瓷变压器振动的原理,利用有限元分析研究了多层压电陶瓷变压器的振动模态,并利用激光多普勒干涉仪测量了多层压电陶瓷变压器在不同输入电压下两种谐振状态下沿长度方向的位移振幅。实验表明:谐振频率的测量值和有限元计算结果相符;谐振状态下压电陶瓷变压器长度方向的振幅与输入电压的关系是在输入电压较小时,基本上是线性变化的,并且逐渐趋于饱和,输入端振幅略大于输出端。

双自由度压电振动能量采集器的力-电输出特性分析

在单自由度悬臂梁压电振动能量采集器模型基础上增加一个弹性放大器,构造形成了具有双自由度的压电振动能量采集器。利用ANSYS有限元软件建立了双自由度压电能量采集器的有限元力-电耦合模型,数值分析了模型中各参数(如质量比、阻尼比以及负载电阻等)对系统力特性(速度、加速度等)和电输出特性(电压、电流、输出功率等)的影响。研究结果表明:大的质量比和小的阻尼比能够提高压电悬臂梁能量采集器的输出功率,并能拓展其工作频带;短路谐振状态下的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电流,而开路谐振状态的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电压。研究结果还表明:对于尺寸为50.8mm×31.8mm×0.26mm的悬臂梁基板和50.8mm×31.8mm×0.14mm的压电晶体构成的双自由度系统,在基础加速度40m/s2、频率38Hz的外界振动激励下,系统在负载电阻短路和开路状态下的最大输出功率分别达到4 386.5和4 263.4mW,是单自由度系统的10倍。双自由度系统的频带宽度达到10Hz,是单自由度系统的5倍。

阵列式压电俘能拓宽频带的研究

压电俘能器只有在谐振频率附近较窄的频率范围才可获得最佳的功率输出。多个压电俘能器采用阵列连接可实现频率拓宽。该文定义了组成阵列的悬臂梁谐振频率之差Δf_r(即│f_1-f_2│)与单个梁带宽BW(即半功率点对应的带宽)之比,即Δf_r/BW,以其大小来探究阵列悬臂梁的频率差在什么范围内能拓宽阵列频带BWa。并对串、并联阵列进行了理论和实验研究,结果表明,悬臂梁的谐振频率差在一定范围内时,阵列连接既可提高输出功率也可拓宽频带。悬臂梁在该文设计的尺寸和材料内,单个梁的带宽为3.5 Hz时,对于3个梁的并联阵列,Δf_r/BW<0.657;而串联阵列,Δf_r/BW<2.571。

一种增强负泊松比结构的压电俘能器的设计与分析

考虑到传统压电悬臂梁存在固有频率高,输出性能低的缺点,本文基于增强负泊松比结构设计了一种压电俘能器,在弹性基板中引入了负泊松比结构和X型肋骨。利用有限元方法建立了压电俘能器的动力学模型;通过数值方法进行了模态和压电耦合分析,并对增强负泊松比结构的俘能器进行了参数分析;搭建了实验平台,制作了压电俘能器样品,对输出性能进行验证。研究结果表明:与传统平板结构俘能器相比,增强负泊松比结构俘能器的一阶谐振频率低,输出电压和功率高,X型肋骨的加入提高了结构的刚度和非线性;相比于负泊松比结构的俘能器,X型肋骨的加入不仅改善了结构的疲劳性能,还拓宽了工作带宽。

双迭片弯曲压电陶瓷换能器及振动模态分析测量

介绍了双迭片弯曲压电陶瓷换能器的制作及边缘固定金属压电陶瓷双迭片弯曲振动 ,并利用有限元分析了换能器的谐振模式 ,采用激光多普勒干涉仪对换能器的谐振特性以及振动速度和位移分布进行了测量和分析。结果表明 :换能器空载性能良好 ;通过有限元分析与先进测量手段的结合 ,能够对换能器器件的制作与分析进行指导。

纳米定位控制中消除PZT滞后及蠕变的方法

总结了近年来用ＰＺＴ致动器进行纳米线性定位控制的方法，对其特点和局限性进行了分析，并提出了一种可望在较大行程范围内获得亚纳米定位分辨率的方法。

基于氮化铝薄膜的二维模态谐振器双模结构设计与仿真

基于氮化铝(aluminum nitride,AlN)压电薄膜的二维模态谐振器(two-dimensional-mode resonators,2DMR)由于其较高的有效机电耦合系数k^(2)_(eff)及其与集成电路工艺兼容等优势,引起了业内广泛的关注。然而,传统的2DMR只研究单谐振模态,难以满足多模无线通信系统的需求。针对该问题,提出一种应用于5G new radio(5GNR)频段为2.6~3.4 GHz的二维模态(2DM)双模谐振器,通过合理设计电极宽度和电极周期,使得2个模态的品质因数Q和k^(2)_(eff)相当,实现了S1模态和高阶S1模态的有效激励。通过有限元方法研究分析了压电材料厚度及梳齿电极结构对2DMR双模谐振频率和k^(2)_(eff)的影响,S1模态谐振频率主要受压电材料厚度影响,高阶S1模态谐振频率在受压电材料厚度影响的同时还易受金属电极宽度影响。基于Al N压电薄膜中d_(33)和d_(31)压电系数的共同作用,所设计的2DMR中2个模态的k^(2)_(eff)分别达到3.1%和3.6%。随后,基于S1模态和高阶S1模态谐振处无杂散和高机电耦合性能,设计了含有50Ω阻抗匹配网络的双频带通滤波器,通过增加阶数提高器件的带外抑制。滤波器的2个传输频带相邻,无带内波纹且陡峭滚降,中心频率分别位于2.852和3.082 GHz,插入损耗分别为2.0和1.9 dB,分数带宽分别为29和39 MHz。研究结果说明了这种2DMR双模结构设计在射频前端极具应用潜力。

扭转压电复合材料及其应用

本文描述了轴向-切向连通的圆柱2－2型压电复合材料．用PZT／环氧树脂制作的普通2－2型压电复合材料可以拼接成一种具有扭转振动的压电复合材料．这种压电复合材料可以作为圆柱2－2型压电复合材料的近似．本文还给出两组这种拼接型压电材料晶片的参数，用这种压电材料制作了产生扭转振动的换能器，测试了换能器的波形、频谱特性和偏振特性，指出了使用适当的高通滤波器可以抑制横波中的径向模，分析了接收波列中纵波抑制较强的原因．

压电陶瓷传感器稳定性的仿真分析

针对传感器测量高温体振动信号的稳定性问题,提出了将温度与结构特性相结合的仿真方法,讨论了温度场对压电陶瓷传感器稳定性产生的影响。根据压电陶瓷的正逆压电效应,采用ANSYS软件进行有限元仿真,得出了传感器稳定工作的频率范围和固有频率随温度变化的规律,并获得了固有频率和机电能量转换特性相对稳定的温度范围,由此为理论和试验分析提供了依据。分析实例体现了所采用的数值仿真方法在压电陶瓷传感器稳定性分析中的有效性和实用性。

压电风扇嵌入式冷却系统流场及换热特性研究

提出一种压电风扇嵌入式冷却系统,并对其进行了数值模拟和试验研究,分析了压电风扇诱导非定常流场流动特性及强化换热性能,研究了外部供风风速、翅间距对流场和换热性能的影响。研究表明,由于压电风扇的挤压、扰动及涡旋的作用,翅片壁面原本稳定的热边界层被破坏,流体的混合和热交换作用增强,温度梯度减小,因而翅片与空气间的热阻降低。结果表明,翅间距为18mm时,该文中压电风扇散热效果最佳。