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。

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。

基于驰振的压电能量采集器建模与实验研究

在压电能量采集器分布参数模型的基础上,对驰振作用下悬臂式压电能量采集器的振动和能量采集情况作进一步理论分析,得到质量块起振风速以及从起振到驰振过程中所采集到功率的解析解。利用直流式闭口低速风洞分别对正三棱柱、正四棱柱悬臂式压电能量采集器进行实验测试,结果表明,正四棱柱能量采集器和正三棱柱能量采集器的采集功率分别达到0.248 5mW和0.125 9mW。通过对采集功率和电压时程曲线进行对比,其理论解和实验值吻合程度较高,理论模型具有较高精度。通过理论模型分析发现:风速越大,质量块质量越小,能量采集器采集功率越高;对于不同条件下的能量采集器均存在最优外载阻值,低风速下还会出现双最优外载阻值。

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。

基于激光切割的二自由度悬臂梁式压电能量采集器

为达到拓宽有效输出带宽的目的,设计了一种二自由度的锆钛酸铅(PZT)悬臂梁式压电能量采集器。通过激光切割加工悬臂梁式压电能量采集器,制备了镂空式的二自由度的PZT悬臂梁式压电能量采集器结构。利用COMSOL软件,对二自由度的PZT悬臂梁式压电能量采集器结构进行了设计和仿真。仿真结果表明设计的二自由度的能量采集器具有两个输出电压峰值;并降低了一阶固有频率。利用数字信号发生器、功率放大器、振动台、示波器等仪器搭建了测试系统,并对该样品进行了性能测试。测试结果表明,在0.5g加速度下,未进行切割加工的单自由度悬臂梁式压电能量采集器的固有频率为31.23 Hz,输出峰值电压为15 V;进行切割加工后的二自由度悬臂梁式压电能量采集器的固有频率为27.13 Hz和61.11 Hz,输出电压峰值为15.4 V和2 V。相较于未切割的悬臂梁式压电能量采集器,该悬臂梁式压电能量采集器的输出电压略有提升,一阶固有频率也有所降低。得出有限元计算结果和实验结果基本一致。

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。

基于道路压电能量采集技术的突起路标的可行性研究

文章结合道路压电能量的采集和利用,提出一种利用道路压电技术进行供电的道路突起路标的设想,对道路压电能量采集的两种模式进行了对比,优选了压电换能器的结构形式,探讨了压电能量采集的优化电路,并提出了利用道路压电技术进行供电的道路突起路标的可行性实施方案。

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。

非对称、变势能阱三稳态压电振动能量采集器特性研究

为了提升压电振动能量采集器的综合输出性能,提出了一种具有非对称、变势能阱的三稳态压电振动能量采集器,它由一个末端带磁铁的压电悬臂梁以及一对可随弹簧拉伸和压缩而变动的外部磁铁构成。外部磁铁固定在水平弹簧自由端并与基座相连,且能够随着弹簧压缩和拉伸发生水平移动和转动,从而使系统产生非对称且随时间变化的势能阱。基于点磁荷法和拉格朗日函数,建立了压电振动能量采集系统的非线性磁力模型和分布参数动力学模型;仿真分析了磁铁间距离以及加速度和弹簧刚度等参数对系统势能及其动力学响应特性的影响规律。研究结果表明:弹簧拉压是产生非对称、变势能阱的主要因素;弹簧刚度使非对称势能阱的深度变浅,使采集器更易进入大幅阱间振动状态;随着弹簧刚度的增大,采集器输出电压随之先增大后减小。在低激励振幅下,非对称、变势阱能量采集器比传统对称势阱采集器有更广的频带宽度和更高的采集效率。

分段悬臂梁压电振动能量采集器及其理论建模研究进展

压电振动能量采集器在无线传感器、嵌入式医疗设备、微电子机械系统(MEMS)、物联网(IoT)器件等低功率设备的供电中有广泛的应用前景,其中分段悬臂梁采集器因具有低频宽带、微尺寸和多方向采集等潜在优点而成为研究热点。评述了分段悬臂梁压电能量采集器及其理论建模的最新研究进展,介绍了压电能量采集原理及典型结构,梳理了各种分段悬臂直梁和角梁采集器的类型和结构特点,比较分析了其输出电压、输出功率和工作频率等性能,讨论了采集器的现有建模和求解方法的优缺点和难点,指出了应用面临的供应挑战。最后,总结了该能量采集技术目前存在的问题,并展望了其未来发展方向。

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。

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。

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。

宽频压电振动能量采集器的分布参数模型与实验

为解决无线传感网络节点自供电问题,提出了一种带有弹性支撑与放大的宽频压电振动能量采集器。利用Hamilton原理和Raleigh-Ritz方法,并考虑悬臂梁末端质量块的影响,建立了压电能量采集器的分布参数机电耦合模型;数值分析了能量采集器质量比、刚度比和阻尼比等参数对系统振动特性、输出特性的影响;研制了实验原理样机,搭建了实验测试平台,验证了数学模型的正确性。研究结果表明,分布参数模型比集总参数模型具有更高的预测精度。

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。

基于激光切割的叉指结构悬臂梁式压电振动能量采集器

为了拓宽有效的输出带宽,通过激光切割法进行加工,设计并制备了一种具有叉指结构的锆钛酸铅(PZT)悬臂梁式压电振动能量采集器(PVEH)。仿真结果显示,相比常规的悬臂梁式PVEH,具有叉指结构的悬臂梁式PVEH拥有更低的一阶固有频率以及更多的输出电压峰值。利用双通道示波器、函数信号发生器、振动台、加速度计和功率放大器等搭建测试平台,对制备的悬臂梁式PVEH进行测试。结果表明,在0.5g加速度的条件下,常规的悬臂梁式PVEH的固有频率为30.80 Hz,输出电压峰值为4.88 V;具有叉指结构(叉指数目为8且叉指长度为40 mm)的悬臂梁式PVEH具有4个固有频率,分别为17.70、37.30、74和81 Hz,对应的输出电压峰值分别为7.28、3.07、0.366和0.084 V。通过对比研究发现,具有叉指结构的悬臂梁式PVEH的一阶固有频率降低了42.53%,一阶输出电压峰值提升了49.18%,实现了性能的有效提升。

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。