二次碰撞升频压电振动能采集器研究

压电振动能量采集器可以通过压电效应收集环境中的振动能,但现实中环境振动频带较窄,使采集器在低频表现很差。鉴于此,在传统一次碰撞升频采集器的基础上设计了二次碰撞升频采集器,以达到提高低频能量采集效率的目的。建立了物理模型,在原理上证明方法的可行性;分别设计了二次碰撞升频和一次碰撞升频压电振动能采集器实验。对比分析发现,二次碰撞升频扩宽了收集频带46.2%,但相应的电压幅值小幅下降,低频环境下表现优秀但高频表现变差。最后探究了附加尖端质量的影响。试验结果表明,采集器的1阶共振频率、最大输出电压均随着其增大而减小,1阶共振频率与尖端质量呈现近似线性相关。

基于碰撞升频的MEMS压电振动能量采集系统

论文提出了一种基于碰撞升频机制的微型压电能量采集系统,由一对共振频率不同的悬臂梁平行叠放组成.在外界低频振动激励下,底部低频S形金属曲梁产生共振,在运动过程中碰撞顶部高频微型压电直梁,从而将低频环境振动转换为高频压电梁的振动,解决了压电直梁的固有频率与外界激励频率不匹配问题.论文建立了压电悬臂梁受迫振动、压电悬臂梁与金属悬臂梁碰撞耦合振动的动力学模型,讨论了压电悬臂梁的电压输出特性.通过实验测试了压电能量收集系统和单个压电悬臂梁的开路电压并计算了输出功率,结果表明当振动加速度为1.0g时,升频式压电能量采集系统在25 Hz的激振下输出功率达到8.6μW,高于单个压电悬臂梁的最大输出功率.

低频环境下碰撞式压电振动能采集器

现实中由于环境振动频带较窄使得能源采集器在低频时效率较低,为此课题组设计了一种可以在低频环境下表现优异的压电能量采集器,并拓宽了其收集频带。采用碰撞方法将采集器进行升频以适应低频环境,采用齿条齿轮传动带动拨片撞击悬臂梁实现动能采集;结合前人的研究完善了欧拉-伯努利梁振动方程,给出在振动过程中悬臂梁的精准位置和振型方程;简化传动模型给出拨片轴的近似运动方程并根据动量定理计算出碰撞前后各部件速度;综合建立整个系统的动力学方程并通过机电耦合方程建立了系统的电学方程。实验验证表明:所设计的采集器比之常规悬臂梁采集器采集频带扩宽了11.23%,输出电压提高了38.2%。所设计的采集器输出电压在低频时可以实现频繁阶跃,大大改进了压电振动能采集器在低频环境下的采集性能,使其更适宜低频环境下的能量采集。