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。

具有弹性放大器的双稳态压电俘能器建模及参数影响分析

利用广义Hamilton变分原理,建立了具有弹性放大器的双稳态压电俘能系统BPH+EM的动力学方程。考虑谐波激励,采用调和平衡法获得了BPH+EM系统的位移、输出电压和功率的解析解。利用求得的解析解,讨论了BPH+EM系统扩大能量俘获的频率范围和提高能量俘获效率的机理,研究了弹性放大器的刚度质量比对BPH+EM系统的动力性能影响规律。当弹性放大器的刚度质量比趋于无限大时,具有弹性放大器的双稳态压电俘能系统退化为双稳态压电俘能系统BPH。弹性放大器的刚度质量比趋于0但不等于0时,BPH+EM的俘能效率低于BPH。结果表明,在合适的刚度质量比范围内,BPH+EM的俘能效率显著优于BPH。研究结果为BPH+EM系统的优化设计提供了理论指导。

弹性振幅放大器对参数激励压电俘能器的影响

该文提出在参数激励压电俘能器中增设弹性振幅放大器。利用扩展哈密顿原理,建立了系统的动力学方程,通过数值仿真,研究了弹性振幅放大器及其刚度系数对俘能器性能的影响。研究结果表明,当压电梁未发生屈曲,且压电梁的固有频率与弹性振幅放大器固有频率比满足1∶2共振条件时,能够降低参数激励俘能器的激励阈值,并拓宽俘能器的频率带宽。此时的刚度系数称为共振刚度系数k_(sr)。研究表明,当弹性振幅放大器的刚度系数小于k_(sr)时,俘能器的平均输出功率、均方根电压峰值及频率带宽均随着刚度系数的增加而增加;当弹性振幅放大器的刚度系数大于k_(sr)时,随着刚度系数的增加,俘能器的频率带宽增大,均方根电压峰值略减小,而平均输出功率在激励幅值较大时趋于相同。

混合式三稳态压电能量俘获器动力性能分析

为了提高压电能量俘获器在低强度外界激励下的俘能表现,基于三稳态压电悬臂梁能量俘获器模型,在U形框架和基底之间以及压电悬臂梁固定端与U形框架之间分别装置一个弹性放大器,提出一种混合式三稳态压电能量俘获器(TPEH+DEM)模型。基于Hamilton原理建立了TPEH+DEM系统的非线性力电耦合运动方程,并利用谐波平衡法分析了弹性放大器的质量和弹簧刚度、磁铁之间相对距离、负载电阻等对TPEH+DEM系统能量收集水平的影响。结果表明:在一定的外界激励频率范围内,TPEH+DEM系统的响应输出功率存在两个峰值,合理调节弹性放大器的质量和刚度能使系统在较低的外界激励强度下进入阱间运动,产生很高的输出功率。相比于仅带有弹性基底的传统三稳态压电能量俘获器,TPEH+DEM模型在低频外界激励下具有更好的俘能表现。

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。

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。