基于涡致振动的压电能量收集阵列的仿真与实验

为了解决部分微电子设备供电需求大,而单一的压电能量收集结构无法满足的问题,该文对基于涡致振动的压电能量收集阵列进行流-固-电耦合仿真,并与风洞实验数据进行对比.首先对前置阻流体的俘能结构进行测试,验证结构的可行性,然后对串列、并列、错列、长方阵型的压电俘能结构进行研究.仿真与实验结果表明,压电能量收集阵列随风速的增大呈...     

V型双稳态压电发电机建模与输出特性分析

为对真实环境中宽带低频的振动能量实现有效收集,设计了一种不含磁铁的V型结构双稳态压电发电机,给出了压电发电机的机-电转换模型,并对输出特性进行了仿真分析。结果表明,初始夹角在一定范围内时,V型压电发电机发生随机共振,系统有效收集宽带低频的振动能量。该结构不含磁铁,有利于微型化和集成化。     

多质量块宽频压电能量收集器

为了提高压电能量收集器的工作频带宽度、降低其固有频率并提高收集效率,设计了一种多质量块宽频压电能量收集器。建立多质量块压电悬臂梁的理论模型,分析质量块位置对输出功率的影响;有限元分析质量块数量对输出电压和固有频率的影响;搭建试验台,对多质量块宽频压电能量收集器进行测试。实验测得：随着悬臂梁自由端质量块数量的增加其一阶固有频率由62 Hz降至28 Hz,工作频带宽度增加39.3%,输出功率由17 mW增加至31 mW,且整流后得到的功率是桥式整流电路的1.31倍。实验结果表明,随着质量块数量的增加,压电悬臂梁的一阶固有频率降低,频宽增大,输出功率增加,且新的能量收集电路的转换效率比桥式整流电路高。     

多质量块宽频压电能量收集器

为了提高压电能量收集器的工作频带宽度、降低其固有频率并提高收集效率,设计了一种多质量块宽频压电能量收集器。建立多质量块压电悬臂梁的理论模型,分析质量块位置对输出功率的影响;有限元分析质量块数量对输出电压和固有频率的影响;搭建试验台,对多质量块宽频压电能量收集器进行测试。实验测得:随着悬臂梁自由端质量块数量的增加其一阶固有频率由62 Hz降至28 Hz,工作频带宽度增加39.3%,输出功率由17mW增加至31mW,且整流后得到的功率是桥式整流电路的1.31倍。实验结果表明,随着质量块数量的增加,压电悬臂梁的一阶固有频率降低,频宽增大,输出功率增加,且新的能量收集电路的转换效率比桥式整流电路高。     

用于传感器节点供电的压电振动发电机研究

悬臂梁式压电振动发电机是一种新型的供电装置,可广泛应用于无线传感器网络节点进行供电.首先建立以悬臂梁为结构方式的压电振动换能器的模型;然后从遗传算法和田口稳健设计的理论方法出发,以输出平均功率为优化目标的对换能器进行稳健优化设计;接着以钽电容和稳压二极管为核心设计了换能器的能量收集电路,最后用优化后的参数制成样机进行测试.测试结果证明,该发电机完全能满足功耗为50 μW的传感器节点的使用要求,验证了该研究方案的可行性.     

自适应宽频振动压电电磁复合发电系统分析

为提高微型环境振动能量收集微电源能量转换效率,采用一对磁极产生的磁力自动调节拾振系统刚度,实现系统固有频率与环境振动频率相匹配的自适应压电电磁复合宽频发电系统,同时增强电磁发电系统磁力线密度。该文研究了系统磁力对压电悬臂梁刚度的影响因素,确立自适应宽频系统的理论模型。压电电磁宽频发电数值计算结果表明,未施加磁力调节时,环境振动频率偏离系统固有频率47Hz时输出功率急剧降低;施加自适应磁力调节后,发电系统可调固有频率范围为42~51Hz,最大输出功率范围6~10mW,拓宽拾振频带。     

基于模态分离技术的3×n阵列式低频宽带压电振动发电机的设计研究

针对传统压电发电机固有频率单一,频率采集范围窄和能量采集效率低等缺陷,且无法满足当前无线传感器在特殊工作环境中所需的宽频带和大功率输出.本文基于模态分离技术提出了一种3×n阵列式压电发电结构,并利用COMSOL有限元仿真软件对其进行仿真分析,优化参数后3×5阵列式采集系统在低于50Hz的频率范围内带宽为15.6Hz.实验测试结果发现3×5阵列式发电机的带宽拓宽至13.8Hz;同时在11Hz的共振频率下,最优负载电阻值为350kΩ时,可获得的最大输出功率为2.12mW;最后测试其半功率（1.05mW）带宽达15.3Hz.本文所提出的模态分离技术使阵列采集系统的带宽明显提高且输出功率增大,这个优异的输出性能使得其在多源、宽频振动环境中具有明显的优势.     

压电谐振器特殊模态振动特性研究

针对压电谐振器振动特性分析的应用需求,构建了一种小型化、廉价的矢量分析系统。系统采用STM32控制4路DDS芯片产生驱动信号和矢量解析正交信号。通过向DDS芯片写频率控制字,对压电谐振器进行扫频驱动。同时采用STM32内置ADC,采样并计算获取各频率点压电谐振器输出信号的幅值和相位。通过提取压电谐振器两个特殊振动模态下的共振频率、品质因数(Q值)、输出信号相位等振动特性参数,获得驱动信号对这些参数的影响规律,系统分析了驱动信号对压电谐振器振动特性的影响,为压电谐振器的驱动、信号检测提供了有效的技术途径,实验结果为压电谐振器振动特性分析提供了依据。     

压电振动能量收集电路的设计与实验研究

压电材料可将机械振动能转换为电能,但其产生的电能较小且具有交流特性,有必要建立储能电路将压电振动产生的电能储存起来并输出稳定的直流电。根据压电构造方程,建立压电振动能量收集系统的耦合场数学模型,对输出电压和最大输出功率进行数值模拟。设计与制作了一种以电容为储能介质的储能电路,通过电压比较器和电压调节器来保证稳定的直流输出。实验结果表明该储能电路能提供稳定的2.24V的直流输出电压,储能效率最高可达66.3%,并分析其能耗及误差产生的原因。     

基于压电振动能采集器的无线频率检测节点

振动频率检测在旋转机械运行状态监测和大型建筑物结构健康监测等领域具有重要应用,为了实现振动频率检测节点的自供能,该文设计了基于压电振动能采集器的无线振动频率检测节点,该节点由两个压电振动能采集器、电源管理电路和无线测频电路组成。利用LTC3588-1和LT3009芯片组成的电源管理电路,将采集器一输出的交流电压整流稳压转换为直流电压为节点供电,采用低功耗微控制器MSP430F149对采集器二的输出电压进行处理得到环境振动频率,进一步利用无线收发芯片nRF24L01实现信号的发送。振动台实验表明,在加速度幅值为1 g(g=9.8m/s2),振动频率为53Hz时,该节点可每隔120s无线发送环境的振动频率。     

磁场增强压电悬臂梁震动发电装置

在压电悬臂梁的自由端施加非均匀磁力增加梁的振幅,探索研究了磁力对悬臂梁的谐振频率漂移、输出电压和输出功率的影响。结果表明,引入非均匀磁场斥力,压电悬臂梁的输出电压和输出功率得到明显提高。当负载电阻为100 kΩ,振动台(LDS)用0.200 V正弦电压驱动时,由尺寸75 mm×7.8 mm×0.35 mm的锆钛酸铅镧(PLZT)长压电片和80 mm×7.8 mm×0.10 mm黄铜片构成的压电悬臂梁在谐振频率的电压和功率输出分别为19.02 V和1.8 mJ。     

基于微尺度压电振动发电机的微电源设计

为弥补传感器网络传统供电存在的不足,该文设计了一种基于微尺度压电发电机的微电源,其可有效拾取周围环境中的振动能量,从而为低功耗的传感器系统提供电能。该电源由具有微尺度效应的微振动发电机与外部高效的无源峰值监测开关电路集成而得,结合Matlab仿真分析可知,其输出电压可达0.24V;无源峰值监测开关电路能保证压电片间电荷的全部输出,与具有经典接口的微电源相比其输出功率提高了3倍。     

路面振动压电俘能器的性能分析

建立路面振动压电俘能的数学模型,提出压电俘能器的性能要求,分析结构参数及埋设深度对俘获电能及路面变形的影响.结果表明,压电俘能器埋设越深,俘获电能越多,路面变形越小;压电陶瓷片直径和厚度越大,俘获性能虽提高,路面的变形却增大.一个直径φ30 mm、厚5 mm的压电俘能器,埋设40 mm路面下,在15 Hz、0.7 MPa标准轮载作用下,可俘获0.42 mW的电能.     

压电陶瓷圆环径向厚度振动分析

对压电陶瓷圆环的径向厚度振动进行了分析,使用压电理论和机械振动理论推导出压电陶瓷圆环的谐振和反谐振频率方程,采用图像法求解得到谐振频率,与实际测量结果的误差小于1%。该文还应用有限元分析软件对压电陶瓷圆环的振动模态进行了分析,并与理论计算进行了比较,结果吻合。     

基于钹式压电阵列的新型引信发电装置设计

设计了一种基于钹式压电换能器阵列的新型引信用发电装置,使用等静压压电常效法研究了钹式换能器及其阵列的发电特性,分析了发电装置在弹药发射环境下的电能输出特性.研究结果表明,该发电装置能有效收集发射环境中的冲击能,并将其先转换为振动能再转换为持续的电能,延长了压电换能器的电能输出时间,解决了现有引信压电电源电能输出小,供电时间短等问题.