一种弹性支撑双稳态压电能量俘获系统的动力学仿真分析

为了揭示双稳态能量俘获系统的复杂动力学行为及现象,针对弹性支撑下具有双稳态的压电悬臂梁能量俘获系统的动力学行为进行研究。首先基于能引发双稳态现象的磁力模型,利用牛顿第二定律以及基尔霍夫第一定律建立了基础作简谐运动时系统的数学模型。其次根据无量纲化后的控制方程,利用罗斯-霍尔维茨判据分析了平衡点的静态分岔。最后,利用Matlab数值仿真得出压电悬臂梁位移以及输出电压随系统参数和激励参数的变化规律和分岔图。结果表明,系统的幅频特性呈现为硬特性,但压电悬臂梁的振幅随质量比及刚度比的变化却呈软特性,即在某些参数范围内,系统的简谐周期响应发生分岔并导致混沌运动,系统的运动既可以发生在零平衡点附近,也可以发生在非零平衡点附近,甚至是在不同的平衡点之间作大幅跃迁。因此,相同参数下,系统具有双稳态时比单稳态时具有更丰富的运动形式,可明显提高系统的电压输出和响应频带。研究结果可为工程实际中如何优化振动能量采集器提供理论依据。

压电能量俘获系统建模及仿真

针对压电悬臂梁结构能量俘获系统进行建模,利用电路系统和机械系统的相似关系,将压电俘能结构模型等效为电路系统模型;为建立压电能量俘获系统完整模型,基于LTC3588-1为核心的能量转换电路等效为降压及整流电路,并利用LTspice软件仿真验证该等效电路的正确性.在Matlab/Simulink系统中搭建压电能量俘获系统整体模型并进行仿真,根据仿真结果对模型参数进行优化.通过对实验数据对比、分析,验证系统模型的合理性,结果表明系统可以稳定输出3.3 V直流电压,最佳阻抗匹配条件下,输出功率为2.6 mW.

带碰撞双稳态压电俘能系统的俘能特性研究

双稳态俘能系统的运动常常会陷入单个势能阱中,导致俘能效率降低.为了解决这个问题,本文提出了一类带碰撞的磁斥力双稳态压电振动能量采集系统.建立了该碰撞双稳态系统的机电耦合方程,分析了碰撞对双稳态系统动力学特性的影响.研究了确定性激励和低强度随机激励下碰撞对系统响应特性和俘能效率的影响.结果表明:简谐激励下,碰撞能够使得原双稳态系统的单阱小幅周期运动转变为双阱间的大幅运动,从而有效地提高输出功率.得到了低强度随机激励下,不同碰撞间隙对系统动力响应特性和输出功率的影响规律.对一个给定的随机激励,存在一个最优的碰撞间隙,此时碰撞能够将原双稳态系统单阱内的随机运动转化为频繁的双阱跳跃,出现大幅值运动,从而大幅提高了系统的俘能效率.

一种非线性双稳态人体运动能量俘获技术

针对传统线性压电悬臂梁频带过窄且难以与人体运动相匹配的问题,考虑人体小腿的运动特点,设计了一种双稳态磁耦合压电悬臂梁应用于人体运动能量俘获,利用运动过程中小腿的摆动及其与地面间的冲击产生的加速度使悬臂梁跨越势阱提高俘能效率。以哈密顿原理及人体运动信号为基础,建立了用于人体运动能量俘获的非线性动力学模型。根据人体腿部运动的振动特征设计了一种便携式非线性振动能量俘获系统,实现了线性、非线性单稳态和双稳态等动力学特征。采用实际腿部振动信号进行的理论模型数值仿真表明:双稳态人体振动俘能技术能够产生大幅度跨越势阱运动并俘获较多的电能。人体不同运动状态的实验结果验证了非线性双稳态人体能量俘获技术的优势以及所建立的机电耦合模型的有效性。当运动速度为8km/h时,双稳态系统的平均功率达到最大值23.2μW。

悬臂梁式压电能量俘获器的研究现状

悬臂梁式压电能量俘获器是能量俘获技术中的核心组件,其性能的优劣关系着俘获电能的多少及能量转换效率的高低。综述了压电能量俘获器在压电材料、振子结构、俘获电路、研究机理等四个方面的研究状况和存在的问题,对全系统中的重要核心技术和特点进行了分析,为压电能量俘获器的全方面优化提供了研究思路。

势阱特性对磁力双稳态压电俘能器性能的影响研究

为研究磁力非线性双稳态压电俘能器的动力特性,利用广义Hamilton变分原理建立了压电俘能系统的动力学方程,运用谐波平衡法获得了谐波激励下位移和电压的解析表达式。采用磁偶极子模型提出了多项式表示的磁力势能,利用数值方法模拟了不同初始条件下俘能系统的位移和电压的时程曲线。研究结果表明:在阱间运动情况下,阱深相同时,随着阱宽增大,俘获的能量增大,有效带宽减小;阱宽相同时,随着阱深增大,俘获的能量减小,有效带宽增大。采用适当的初始条件可诱导俘能系统进入高能轨道的阱间运动,从而提高俘能效率。

基于气体激励的压电俘能技术及其在气动系统中的应用与展望

气动技术正朝着智能化、无线化的方向发展,越来越多的智能传感器引入到气动系统来实现监测与反馈,因此实现传感器长期稳定的供能是当前气动系统亟待解决的关键问题之一。研究表明,利用压电材料可产生毫瓦级的电能输出,能量级数可以满足低功耗传感器的能耗需求,因此该技术有望作为一种新型的供电技术为电池续航,使低功耗传感器长时间稳定地工作。基于此,介绍了压电能量收集技术的起源,气体激励下的压电俘能器结构与研究现状,以及气动系统压力能转化为电能的相关工作。研究结果表明,压电材料可以将气体压力能直接转化为电能,其单片最大输出功率接近10 mW,通过对电能的整理与存储可使气动系统中磁性开关正常工作。该技术可增大电池的使用寿命,甚至将来或可成为气动系统低功耗传感器能量的主要来源。

基于压电的传感器自供电系统设计方法

针对规模化养殖场通风状态监测的需求,设计风致振动压电俘能系统解决监测传感器自供电问题.自供电系统由压电俘能结构和能量管理电路组成,可将风能转换为电能.分析和测试结果表明压电式俘能结构可输出电压10.88 V,功率6.975 mW;LTspice软件仿真结果表明能量管理电路可实现电压转换,并稳定输出电压3.3 V.根据机械系统与电路系统的相似关系,对自供电系统整体建模,Matlab/Simulink软件仿真结果显示:压电俘能结构输出电压10.87 V、功率6.989 mW,自供电系统终端可输出3.3 V电压,结果与俘能结构和能量管理电路仿真、测试结果基本一致,说明系统整体建模正确,方案合理.通过现场测试,通风口处风速为2.6 m/s时,自供电系统能够输出电压3.3 V,为监测传感器稳定供电,该研究可在通风监测传感器自供电系统中广泛应用.

随机激励下双稳态压电俘能系统的相干共振及实验验证

随着压电晶体材料的迅速发展,基于压电效应的能量采集系统是俘获环境中的宽带随机振动能量的一种有效途径.研究了有限宽带随机激励作用下,磁斥力双稳态压电俘能系统的相干共振俘能机理,并进行了实验验证.运用Euler-Maruyama方法求解了随机非线性压电振动耦合方程,比较分析了相干共振发生前后系统的动力学特性和俘能效率,然后基于Kramers逃逸速率解释了相干共振.最后的随机振动实验结果验证了双稳态压电俘能系统的相干共振俘能机理.并且观察到:当相干共振发生时,系统会在两个势能阱之间剧烈运动,此时宽带随机振动能量会被转化为大幅值窄带低频振动响应,从而极大地提高了宽带随机振动能量的俘获效率.