基于柔性套管悬臂梁式压电能量采集器的实验研究

为了提高压电能量采集器的使用寿命,保证内部发电部件的稳定运行,提出了一种柔性套管悬臂梁式压电能量采集器收集能量的盾形截面的钝体,通过实验研究该结构的输出性能。分析了外接负载、风速、钝体质量对能量采集器的输出功率的影响。结果表明:能量采集器的输出功率随着负载阻值的增大呈现先增大后减小的趋势,存在最佳负载使得能量采集器的输出功率达到最大;同时输出功率会随流速的增大而增大,符合驰振现象;在实验所考虑的质量范围内,最大输出功率随着质量的增大而减小。实验中,能量采集器在钝体质量为70 g,最佳负载为10^(5)Ω,流速为8.0 m/s时达到最大输出功率5.22 mW。

压电能量采集器高效能量提取接口电路设计

压电能量采集器能把环境振动能转换为电能,该文基于如何将压电能量采集器转化电能最大化提取的研究,提出了一种压电能量采集器高效能量提取接口电路,采用有源二极管整流电路降低了整流过程中的导通压降损耗,电感同步开关电荷提取电路有效提取了寄生电容中储存的电能。利用华虹宏力0.11μm CMOS工艺进行电路设计和版图布局。测试结果表明,接口电路可提取80.4%寄生电容中存储的电能,20 kΩ电阻负载下导通压降为20.2 mV,在加速度5g(g=9.8 m/s^(2))和频率40 Hz条件下平均提取功率是标准接口电路的2.58倍。该芯片可应用于基于振动能供电的无线无源传感节点等领域。

基于V形钝体的压电能量采集器建模与实验研究

为了提高压电能量采集器的输出功率,提出一种用于悬臂梁式压电能量采集器收集能量的V形截面的钝体,建立该能量采集器的分布参数模型,并通过实验验证了模型的准确性。分析了流速、外部负载及钝体质量和高度对能量采集器起振速度和输出功率的影响。结果表明:能量采集器的输出功率随流速增大而增大;存在最佳负载、最佳钝体高度和钝体质量使能量采集器功率最大化。实验中,能量采集器最大功率达到0.6899 MW,通过比较表明V形钝体具有更好的能量采集性能。

预应力式压电能量采集器的模型和试验分析

为提高振动能量的采集效率,设计了一种基于预应力梁的压电能量采集器。基于欧拉-伯努利梁理论,建立了基础激励条件下含预应力压电陶瓷悬臂梁的动力学模型,并利用数值仿真的方法对其输出功率、电压等性能进行分析。最后搭建了试验平台对上述预应力能量采集器的样品进试验测试,对其输出电压、输出功率和自由端位移与预应力大小关系进行分析和研究。试验结果显示在相同条件下,5.9 N轴向预拉力作用下的压电能量采集器的开路电压比无预应力条件下提高了11.6 V。对相同容量的电容的充电试验结果表明,含5.9 N轴向预拉力的压电能量采集的平均充电电压比无预应力情况下提高了1.55 V。数值仿真和试验结果均显示含预应力的PEH的能量采集效率得到明显提高。

带异形孔的双稳态压电能量采集器研究

针对传统线性压电悬臂梁能量采集器共振频率高、偏离共振频率时输出电压快速下降的问题,该文设计了一种悬臂梁基板上带异形孔的新型双稳态能量采集器。建立该能量采集器的理论模型,并制作了实验样机,研究了该能量采集器在外界不同正弦激振频率下,磁间距对其输出电压和工作频带的影响。结果表明,随着磁极对间距减小,带异形孔结构的双稳态能量采集器的双稳态效应先增强再减弱,由此确定最佳磁极对间距为12 mm,谐振频率为18 Hz,最大输出均方根电压达到12.01 V,采集器有效工作频率为15.5~22.5 Hz,工作带宽达到7 Hz,带异形孔的双稳态能量采集器具有更宽的采集频带,在低频振动环境下具有更高的输出电压响应。

一种可调谐非线性磁式压电能量采集器

为拓宽压电能量采集器的有效频带,通过在附有末端磁铁的压电悬臂梁上增加一对移动磁铁,设计了一种频率可调、单-双稳态模式可快速切换的非线性磁式压电能量采集器。首先,对采集器进行分布参数动力学分析,基于Euler-Bernoulli理论推导了系统动力学方程,根据Lagrange函数分析系统动能、势能和电能表达式,利用磁偶极子模型得到系统的磁力表达式,通过Galerkin离散方法和泰勒展开得到系统的一阶降阶模型,利用谐波平衡法得到方程的解析表达式。随后,利用仿真软件分别对采集器的单-双稳态特性进行研究,分析了磁铁间距、阻尼、负载等参数对系统输出电压和功率的影响,并通过实验进行验证。实验结果表明:通过移动磁铁引进的非线性磁力有效增加了采集器的输出电压和输出功率;通过改变磁铁间距改变能量采集器的谐振频率,较好地拓宽了采集器的工作频带;系统可通过调节磁铁间距实现单稳态模式与双稳态模式之间的切换,能够分别利用单稳态模式和双稳态模式收集高频和低频环境下的振动能量。

一种带有镂空图形的高性能微压电能量采集器

设计了一种高平均应变量的单晶微压电能量采集器(PEH),通过热压键合、薄膜沉积等一系列加工工艺制备了PEH原型,利用振动激励机构和阻抗分析仪测试了其输出性能。实验结果得出,在1g加速度和52 Hz谐振频率的条件下,该PEH的峰值电压和功率密度分别为22.5 V和1.89μW/mm^(3)。通过有限元模拟了三种镂空图形(三角形、矩形和梯形)的力学和电学性能。结果表明,在1g加速度条件下,与未镂空的PEH相比,梯形镂空式PEH的谐振频率降低了24%,峰值电压提升了57%,平均应力增大了136%,实现了较佳的性能提升。

基于碰撞的多方向压电电磁能量采集器研究

针对传统单悬臂梁能量采集器工作频带窄,采集效率低,采集方向单一的问题,提出了一种基于碰撞的多方向压电电磁能量采集器。分析了引入碰撞的过程和多种工作模式的理论功率输出,建立了能量采集器的理论模型,制作了实验样机,研究了z方向不同碰撞间距对压电工作模式电压输出的影响,计算了最佳间距下不同工作模式的功率输出结果。结果表明,在碰撞间距为3 mm时,z方向压电工作模式可在更多频段产生机械耦合效应,输出电压最高达19.94 V,带宽为20.5 Hz,在混合采集工作模式下在x方向和z方向输出最高功率分别为0.11 W、0.46 W,带宽分别为18.5 Hz、20.5 Hz。

一种宽频压电振动能量采集器的解析模型与试验研究

为提高单频压电振动能量采集器的能量转换效率和工作频带,以带有弹性放大器的宽频压电悬臂梁振动能量采集器为研究对象,提出一种改进的集总参数机电耦合解析模型,通过引入参数修正因子和考虑悬臂梁的振型信息,利用能量守恒原理和曲线拟合方法确定解析模型的等效参数,并根据力学、电学平衡原理建立系统的运动控制方程、频率特性方程和电功率输出表达式;仿真分析能量采集器质量比、刚度比、阻尼比以及负载电阻等对系统振动特性、电输出特性及负载特性的影响;研制宽频压电悬臂梁振动能量采集器原理样机,搭建试验系统,对解析模型进行验证。结果表明:增大弹性放大器与压电悬臂梁的刚度比和质量比以及减小弹性放大器与压电悬臂梁的阻尼比可以提高能量采集器的转换效率和工作频带。

悬臂梁式压电双晶片振动能量采集器的模型与实验研究

针对悬臂梁式双压电晶片振动能量采集器的质量效应问题,通过幅值修正方法建立了能量采集器的集总参数修正模型,利用阻抗分析和导纳圆法对模型参数进行了识别,得到了采集器在简谐基础激励作用下的机电耦合输出传递函数表达式;建立了悬臂梁压电振动能量采集器的实验系统,实验与仿真分析了悬臂梁末端质量、负载电阻等对能量采集器输出特性的影响,结果表明理论仿真结果与实验结果具有很好的吻合度,证明本文模型有利于提高压电振动能量采集器输出性能的分析预测精度。

MEMS低频压电振动能量采集器

设计了基于微机电系统(MEMS)的一阶、二阶传动低频压电振动能量采集器,通过压电效应将低频振动能量转化为电能来解决低频(小于200Hz)振动环境中的能量采集问题。一阶传动能量采集器模型包括一阶传动梁及压电悬臂梁,二阶传动能量采集器模型包括一阶传动梁、二阶传动梁及压电悬臂梁。数学建模及有限元分析显示:采集器工作频率随一阶、二阶传动梁及压电悬臂梁材料的杨氏模量的减小均呈单调递减的趋势;传动梁的设计可有效降低采集器的高阶工作频率、拓宽工作带宽;而二阶传动梁可以在1g加速度条件下,获得10.98Hz和44.52Hz两个超低频率的电压峰值(分别为3.18V/g和1.33V/g),使系统工作频率降得更低,50Hz以下的有效工作带宽更宽,更适合与低频振动环境匹配进行能量采集。

非线性压电振动能量采集器的振动特性与实验研究

为了提高线性压电振动能量采集器的输出特性,在线性压电振动能量采集器悬臂梁末端引入Duffing非线性磁力,构造了一种双稳态非线性压电振动能量采集器;综合考虑能量采集器的动态振型与轴向应变分布情况,建立了系统非线性机电耦合集总参数运动控制模型,并利用4阶、5阶Runge-Kutta算法对能量采集器的非线性振动特性进行了数值模拟;利用谐波平衡法计算获得了能量采集器的幅频响应方程,数值分析了激励频率、激励幅值以及磁铁间距等对系统非线性振动特性的影响,发现双稳态运动可以极大地提高能量采集器的频率响应范围和能量采集效率,并且能量采集器在低频、低幅值激励情况下可以产生大幅值周期运动;最后,通过实验对数值计算结果进行了验证。

压电微能量采集器PZT厚膜制备及其图形化研究

采用环氧树脂作为中间层的真空键合技术实现体材PZT与硅片键合,再利用机械化学抛光方法将PZT减薄到适当的厚度制备了PZT铁电厚膜,构成了SiO2/Si/SiO2/Epoxy/Ag/PZT/Cr/Cu形式的压电能量采集器悬臂梁结构。基于半导体光刻技术,通过湿法化学刻蚀和切片两种方法实现了PZT厚膜图形化问题,为基于体材PZT厚膜的高性能压电能量采集器的研制打下了良好的基础。

基于弹性支撑与放大的宽频压电振动能量采集器模型与实验研究

针对刚性支撑压电振动能量采集器工作频带窄、采集效率低等问题,提出了一种基于弹性支撑与放大的宽频压电振动能量采集器。利用有限元方法建立了宽频压电振动能量采集器的机电耦合模型,通过Ansys软件仿真分析了能量采集器结构参数对其频域输出特性的影响;根据力学和电学平衡方法建立了宽频压电振动能量采集器的集总参数机电耦合运动微分方程,利用4-5阶龙格库塔算法对方程进行了时域求解,仿真分析了能量采集器在不同结构参数下的振动位移、速度、输出电压和功率等性能。研制了弹性支撑和放大的宽频压电振动能量采集器原理样机,建立了样机系统实验平台,并对理论研究结果进行了实验验证,结果表明本文所提的宽频压电振动能量采集器具有工作频带宽、输出性能高等优点,适合为微电子器件进行供电。

多稳态压电振动能量采集器的非线性动力学特性及其实验研究

为了提高非线性双稳态压电振动能量采集器的输出性能,提出了一种基于磁⁃机⁃压电耦合的非线性多稳态振动能量采集器,通过在双稳态压电振动能量采集器模型基础上增加一对外部磁铁,构造了具有四个稳态的非线性压电振动能量采集器。利用磁偶极子理论建立了采集器悬臂梁末端磁铁与外部磁铁之间的非线性磁力模型;利用Hamilton原理和Raleigh⁃Ritz方法建立了四稳态压电振动能量采集系统的分布参数机电耦合动力学模型;仿真分析了磁铁水平间距和外部磁铁间距等参数对系统非线性磁力、非线性分岔特性和动力学特性的影响。制作了四稳态压电振动能量采集器原理样机,搭建了样机性能测试平台,实验结果与仿真结果具有较好的吻合度。研究结果表明四稳态压电振动能量采集器可以在低激励水平作用下显著提高能量收集效率,且具有较宽的工作频带。

非线性压电式能量采集器

由于非线性技术可使压电式能量采集获得较宽的振动频率和较高的输出电压,本文基于非线性振动研究了一种压电式能量采集器。基于Duffing模型测试得到了非线性压电能量采集器的振动方程,对其振动特性进行了仿真测试。在不同永磁体间距的条件下,测试了非线性压电式能量采集器的开路输出电压,结果表明,当激振台加速度为20m/s2时,该非线性压电式能量采集器的最大输出电压从线性系统输出时的131V提高到208V,最大输出功率为43.264mW,主共振频率变化范围达到18Hz。该Duffing模型的结构可以在小范围内改变非线性压电式能量采集器的共振频率,同时提高其输出电压。

非线性宽频压电振动能量采集器的研究

为改善双稳态压电振动能量采集器在基础低幅值激励条件下的输出性能,提出了一种带有线性放大器的非线性宽频压电振动能量采集器,通过线性放大器对基础低幅值激励进行一级放大后,激发双稳态压电振动能量采集器进入高能轨道的大幅值周期振动,从而提高能量采集器的输出性能。根据力学和电学平衡方法建立了非线性宽频压电振动能量采集器的两自由度集总参数模型和运动微分方程,并对系统模型进行时域和频域求解,仿真分析了系统质量比、刚度比等参数对系统输出特性(振动位移、速度、相图和输出电压等)的影响。最后,通过与双稳态压电振动能量采集器输出性能的实验结果对比分析,表明非线性宽频压电振动能量采集器在较小的激励幅值作用下具有更高的输出特性和更宽的工作频带。

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。

带弹性放大器的双稳态压电振动能量采集器

针对带弹性放大器的双稳态压电振动能量采集器,利用Hamilton原理和Raleigh-Ritz方法建立了压电振动能量采集器的机电耦合分布参数模型。重点分析了激励频率Ω≥1时系统质量比、刚度比、磁铁对间距等参数对系统输出性能的影响。研制了压电振动能量采集器原理样机,搭建了实验测试平台,实验测试了压电振动能量采集器的输出性能。研究结果表明带弹性放大器的压电振动能量采集器是一个非线性双自由度系统,具有两个双稳态运动区域;在激励频率Ω≥1时压电振动能量采集器需要较大的激励能量才能进入大幅值周期振动状态。

基于激光加工的阶梯梁式微压电振动能量采集器

利用波长1064 nm光纤激光加工设备,制备了不同有效长度压电悬臂梁锆钛酸铅(PZT)压电振动能量采集器。研究了该PZT-Cu压电悬臂梁能量采集器的应力分布以及频率-电压关系,探讨了不同PZT布置长度对能量采集器的谐振频率、输出电压、最优负载以及归一化能量密度的影响。仿真分析结果显示,压电材料的宽度、压电层厚度以及悬臂梁总长均会对能量转换效率产生影响。因此进一步改进压电悬臂梁微压电能量采集器的结构设计,从而提高能量转化效率,并进行了实验验证。实验结果表明,PZT沿径向布置长度约为7 mm(即PZT布置长度/悬臂梁总长=7/32)时,该压电能量采集器能量转化效率最优,与仿真结论基本吻合。研究结果为压电能量采集器的结构优化提供了一种可靠的方案。