变截面压电悬臂梁能量采集器在高斯白噪声激励下的稳态统计特性研究

环境振动是一种非周期、随机的宽频激励,研究振动能量采集器在环境振动下的能量采集特性具有重要意义。本文采用改进随机平均法,求解了变截面压电梁在高斯白噪声激励下的等效振幅、位移、速度的稳态概率密度函数,位移与速度的联合概率密度函数以及稳态均方输出电压,随后研究了变截面压电梁的能量采集效能。结果表明:负载电阻一定时,截面系数β>0时的变截面压电梁相比β=0时的等截面压电梁有更好的稳态均方输出电压;截面系数β>0时,随着电阻电容乘积的倒数的增加,变截面压电梁的均方电压均呈现逐渐减小的趋势,当电阻电容乘积的倒数值一定时,β值越大,均方电压也越高;随着噪声强度的增加,变截面压电梁的均方电压均呈现逐渐增大的趋势,当噪声强度一定时,β值越大,均方电压也越高。本文研究结果可为变截面压电悬臂梁能量采集系统的设计及应用提供理论依据。

基于CBAM-CNN和压电悬臂梁的温度解耦质量感知方法

悬臂梁结构广泛用于微小质量测量,而温度变化会引起测量结果漂移。传统测量方法需要在温度稳定的环境中进行,但实际应用中通常难以满足此要求,且温度漂移对测量的影响难以直接解耦。本文提出了一种基于数据驱动,CBAM-CNN和压电悬臂梁的自适应温度解耦质量感知方法。首先,搭建谐振式压电悬臂梁温控测量平台采集不同质量负载下的阻抗响应信号,设计自适应加权预处理方法以增强结构特征并突出有限样本中的关键信息;其次,设计基于混合领域注意力机制的CBAM-CNN网络来评估信号中多个谐振峰的相对关系,实现温度解耦和质量感知。实验结果表明,该方法在25℃至55℃的温度范围内的对0.1~1 g的质量感知准确率高达99.70%,无需进行温度补偿即可实现大跨度温度下的精确质量感知。

谐振式耦合悬臂梁力传感器设计与检测性能分析

谐振式力传感器的检测性能取决于谐振敏感元件的几何尺寸、结构形式和传感机制,目前,单纯依靠减小尺寸提高检测性能的方法已经处于瓶颈期。为了研究发展新型谐振式力传感器,协调非线性振动与谐振结构检测性能之间的矛盾,从而探索灵敏度更高的传感机制,提高其检测性能,提出了一种压电驱动的谐振式磁耦合悬臂梁力传感器。首先,对磁耦合悬臂梁的结构进行了设计和理论建模,通过理论分析了外界压力对磁耦合悬臂梁结构振动特性的影响,随着压力增大,磁耦合悬臂梁之间的距离减小,谐振频率增大。其次,实验验证了分岔跳跃动力学行为的优点,相比单根谐振梁共振时的最大振幅提高了2.8倍,然后研究了基于分岔跳跃特性和基于倍频响应的两种压力检测方案,分别利用分岔跳跃时的临界频率与模态耦合时高阶响应频率实现了压力检测,并对灵敏度和线性度进行了分析。实验结果表明,基于分岔跳跃特性的检测方案振幅变化明显,是基于倍频特性检测方案的5倍左右,易于检测,克服了非线性因素带来的不良影响;基于倍频响应的检测方案输出灵敏度高,是基于分岔跳跃检测方案的4倍左右,信噪比大,为设计不同检测原理的谐振式力传感器提供了一定的参考价值。

梯形压电悬臂梁的力-电映射特性分析

针对梯形压电悬臂梁的电学输出和力—电映射特性进行理论分析,根据得到的力—电映射特性曲线对压电振子进行结构优化,从而达到提高输出电压的目的。首先对梯形压电悬臂梁进行分布式参数建模,得到输出电压理论解并与有限元仿真结果对比验证。将梯形压电梁与矩形压电梁对比分析,结果表明:梯形压电梁更适合作为压电振子。进而分别探究了梯形压电悬臂梁的相关力学参数对输出电压的影响,得到了梯形压电梁的力—电映射关系,为梯形压电悬臂梁的优化设计提供了良好的理论基础。

压电悬臂梁的力电响应及疲劳寿命分析

压电悬臂梁的力电响应与疲劳寿命是制约振动能量收集器深层次应用的关键。基于分布式参数建模方法,建立了压电悬臂梁的动力学模型,求解了压电悬臂梁的力电响应的解析解;借助有限元方法,开发了压电悬臂梁的仿真模型;通过实验验证了理论模型与有限元模型的准确性;应用仿真模型,分析了压电悬臂梁的几何尺寸、基体层厚度、陶瓷层厚度对力电响应的影响;基于估算的压电材料S-N曲线,探讨了各参数对压电悬臂梁疲劳寿命的影响。结果表明:当宽度、基体层和陶瓷层厚度分别从16~24 mm、0.16~0.24 mm线性增加时,压电悬臂梁的疲劳寿命近乎呈现指数形式增加,而压电悬臂梁的长度由48 mm增加到56 mm,其疲劳寿命显著降低。

压电式变截面悬臂梁低频振动能量收集器的设计与优化

为了降低环境振动压电能量收集器(PVEH)的固有频率(ω_(n)),提高PVEH的输出性能,提出了一种压电式变截面悬臂梁低频振动能量收集器(VCL-PVEH)。基于压电方程建立了不同压电材料分布的VCL-PVEH数值模型,优化了压电材料分布位置。研制了PVCL-PVEH原理样机,搭建样机实验平台。结果表明:当压电材料靠近悬臂梁固支端时,器件输出电压(V)和功率(P)最大;随着压电材料与固支端距离(D)增大,器件ω_(n)降低。在相同压电材料面积下,三角形VCL-PVEH的ω_(n)最低(ω_(n)=25.7 Hz)、V最大(V=100 V)。实验和计算表明,随负载阻抗(R)增大,P先增大后减小,存在最优R为25000Ω,此时,P为240 mW,可直接点亮21只商用LED,满足低功耗农业物联网传感器供电的要求。

基于力电响应的压电悬臂梁疲劳寿命预测

针对压电振动能量收集器的疲劳问题,旨在研究基于力电响应的压电悬臂梁振动疲劳寿命预测方法。结合压电悬臂梁振动疲劳试验测得的试验结果,以剩余刚度理论和“两段式”疲劳寿命分析模型为基础提出一种基于谐振频率的压电悬臂梁疲劳寿命预测方法;进一步分析振动疲劳过程中谐振频率变化与负载功率变化的关系模型,提出一种基于负载功率的压电悬臂梁疲劳寿命预测方法。结果表明:基于谐振频率的压电悬臂梁疲劳寿命预测方法的平均误差在10%~20%之间,其误差范围控制在1.5倍误差线以内;而基于负载功率的压电悬臂梁疲劳寿命预测方法的平均误差集中于25%左右,误差范围均控制在2倍误差线以内且属于偏安全的预测效果。

双激励压电悬臂梁的力电响应分析

压电能量收集器因其结构简单、能量密度高、不受电磁干扰、能够在较低的频率收集振动能等优点,在机械、电子和航空航天等领域具有良好的应用前景。针对提高压电振动能量收集器发电效率的动力学设计,旨在研究双激励环境下压电悬臂梁的力电响应特性。根据Euler-Bernoulli梁理论、压电材料本构关系以及克希霍夫定律,建立双激励压电悬臂梁的机电耦合动力学模型。在此基础上,应用Galerkin法与模态叠加原理推导压电悬臂梁的力电响应表达式,建立根部应变与输出电压的关系模型。测试不同参数下单/双激励压电悬臂梁的力电响应特性,验证理论推导的合理性。最后,分析相位对双激励下压电悬臂梁输出电压的影响。结果表明:压电悬臂梁在双激励下的应变幅频响应变化规律与电压响应规律基本吻合;双激励下压电悬臂梁的力电响应曲线均呈现先增大,在接近共振频率达到极值时减小的变化趋势;激励幅值的增大导致压电悬臂梁的刚度和共振频率降低,试验测得的压电悬臂梁最大频率降为1.5 Hz;调节2种激励信号的相位,会影响输出电压响应,而且在一个周期内呈先减小后增大的趋势。

双晶压电悬臂梁发电装置的建模与有限元仿真分析

基于压电原理和热力学平衡方程,建立了双晶压电悬臂梁的数学模型,并运用有限元分析软件ANSYS对双晶压电悬臂梁的结构进行了模态分析和谐响应分析,对梁的各个尺寸参数以及激励方式对输出电压的影响进行了静力分析,分析结果与数学模型的预测是一致的。研究表明:在梁的固有频率附近输出电压最大。在固定的激励条件下为提高双晶压电悬臂梁的放电能力,应该在保证可靠度和固有频率的前提下,尽量增加梁的长度、减小梁的宽度,并选取合适的金属板与压电陶瓷的厚度。

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。

基于压电微悬臂梁的煤矿巷道风速检测仿真研究

为了验证压电微悬臂梁检测煤矿巷道风速的可行性,提出利用仿真软件建立流固耦合及压电效应多物理场仿真模型进行模拟分析的方法。该方法通过固定风速检测通道和压电微悬臂梁尺寸及其相对位置,由小到大改变检测通道入口风速大小,风使压电微悬臂梁受力,产生电势变化,通过检测该电势实现对风速的模拟检测。仿真结果表明,风速增大,压电微悬臂梁同一电势监测点的电势也增大,二者线性相关,线性相关系数约为0.9994。

压电悬臂梁发电装置的建模与仿真分析

建立了单、双晶压电梁发电能力的仿真分析模型,研究了结构尺寸、激励方式及材料性能等对其发电能力的影响规律。研究表明,在基板材料及激励条件相同时,存在不同的最佳厚度比使单、双晶压电梁发电能力最大,双晶梁的最大发电量约为单晶梁的2倍。基板材料不同时,最佳厚度比随杨氏模量比增加而减小,铝、钼基板构成的单、双晶压电梁的最佳厚度比分别为(0.7,0.35)和(0.45,0.2)。在相同的厚度比及外界激励条件下,杨氏模量比对两种压电梁发电能力的影响不同,杨氏模量比低于3.3时,双晶梁的发电量均大于单晶梁。

悬臂梁压电发电装置的实验研究

为了进行压电陶瓷材料发电性能测试与研究,研制了一套悬臂梁压电振子发电系统。设计了悬臂梁压电振子,并对压电振子进行了有限元分析和电导测试。在此基础上,设计了能量存储电路,并在低频下对悬臂梁压电振子发电性能进行了实验研究。研究结果表明,当悬臂梁压电振子处于谐振频率状态下振动时,输出电压和功率达到最大。输出电压随着负载的增大而增大,输出功率并不随着负载的增大而增大;压电振子存在—个最佳阻抗,当负载与最佳阻抗匹配时,此时压电振子的能量转化效率最高且输出功率最大。利用本实验系统进行压电发电实验测试,当负载为50kΩ时,压电振子输出电压为7V;当负载电阻为15kΩ时,此时的输出功率最大可达到1.4mW,产生的功率可以满足无线传感器等低耗能产品的供能需求。

悬臂梁式压电振动能采集器的建模及实验验证

为了根据环境振动和电学负载的特点对悬臂梁式微型压电振动能采集器进行优化,本文考虑质量块质心与悬臂梁末端的位置差异,建立了在基础激励作用下采集器的运动微分方程和边界条件。通过引入常数,建立了对单压电层、双压电层并联和双压电层串联的3个悬臂梁式微型压电振动能采集器均适用的耦合电路方程,得到了采集器固有频率和振型的表达式,推导了简谐基础激励和任意基础激励作用下的输出电压表达式。实验结果显示,对于3个振动能采集器样机而言,以上固有频率和输出电压表达式的相对误差分别小于10%和20%,表明该模型基本满足微型压电振动能采集器优化设计的要求。

双晶悬臂梁压电发电装置发电能力的仿真

针对双晶片悬臂梁式压电振子的理论模型,分析了压电振子的结构参数对压电发电装置发电能力的影响。运用ANSYS有限元软件建立了压电振子的压电耦合模型,研究了压电振子的配重质量、悬臂梁长度和金属基板厚度等结构参数对压电振子的固有频率以及压电发电装置发电量的影响规律。为了验证有限元模型的正确性,对典型结构参数压电悬臂梁的一阶固有频率和发电电压进行了实验测量。仿真结果表明,增加悬臂梁的配置质量和长度、减小悬臂梁基板的厚度都可以降低结构的固有频率,选择恰当的结构参数匹配可以使发电装置的固有频率接近外界的激振频率,从而实现最佳的发电性能。

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56-65Hz，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60Hz时，多悬臂梁压电发电装置的最大输出功率达到4．9mw，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．

压电悬臂梁采收低频振动能的理论分析与仿真

采收环境振动能量为无线网络传感器供电是近年来研究的热点,目前还没有一个完整的理论和解决方案。文中设计了一种压电悬臂梁结构的环境振动能量采收装置,研究了悬臂梁压电振子结构受激励后产生电荷量与频率的关系,并进行了ANSYS仿真,得出了最佳的机电耦合模型和压电悬臂梁几何尺寸对固有频率的影响的关系。为采收环境低频振动能量,实现网络传感器自供电装置提供了设计的理论依据。

基于压电自感知执行器悬臂梁振动控制

用一片压电陶瓷同时做传感器和执行器,基于应变速度电桥电路将应变速度信号从执行器控 制电压中分离出来,制成了压电式自感知执行器；针对电桥不平衡情况,设计了由比例调节和 相位滞后校正组成的简单控制器. 悬臂梁振动控制实验证明:自感知执行器不仅能检测振动 信息,而且能有效抑制悬臂梁的振动.

单压电片悬臂梁式压电俘能器效能分析

以线性压电理论为基础,建立了单压电片悬臂梁式压电俘能器的输出功率与压电结构的构型、驱动频率以及外载荷阻抗等物理参数之间的解析关系。数值计算结果表明,优化负载阻抗、金属层厚度以及金属层材料可有效提高俘能器的俘能效率。将单压电片悬臂梁式压电俘能器与双压电片悬臂梁式压电俘能器进行了对比,理论分析结果表明当外界机械振动的频率较稳定时,前者具有更高的俘能效率。

基于ANSYS的压电微悬臂双梁的有限元分析

提出一种新型的对偶子式的压电微悬臂双梁,采用简化的等效器件建立数学分析模型,利用ANSYS对这种对偶子微悬臂梁进行模拟仿真分析,得出微悬臂梁的振型、固有频率及其在受外加负载时的形变和电压输出。同时分析微悬臂梁的几何尺寸对它们的影响,以便更好地指导实际工艺。