基于等效电路法的变三角截面驰振压电能量收集研究

随着能源危机的逐渐加剧,人们对压电俘能器研究的投入也与日俱增,目前常见的研究压电俘能器的模拟方法只能研究其接入简单的单一电阻负载电路时的性能,且不能解决压电俘能器的高强度直流电路耦合问题.因此,论文借助二阶范德波尔控制方程将压电俘能器的主要部件等效为电子元件,进而基于等效电路法建立了与变三角截面驰振压电振动俘能器相对应的等效电路模型.借助风洞实验验证了所建立的等效电路模型的准确性.采用该模型研究了外接电路,钝体顶角,外接电阻和来流速度对变三角截面驰振压电俘能器输出电压,输出功率和响应位移的影响,结果表明,随着电阻的增大,输出电压逐渐增大且增长率逐渐减小.交直流电路的最佳负载分别为1.05 MΩ和1.4 MΩ,当风速为7.03 m/s,钝体顶角为90°时,交直流电路输出电压和输出功率的峰值分别为41.34 V,0.974 mW和50.8 V,0.616 mW.随着钝体顶角的增大,输出电压,输出功率和响应位移均逐渐增大且增大的速度逐渐减小.等效电路模型可以高效,准确地对不同结构参数下和外界电路下的压电振动俘能器的输出功率,输出电压,响应位移及其影响因素进行研究,所提出的等效电路模型于加快对压电振动俘能器的研究与推广应用具有一定意义.     

面内压电振动能量采集动力学设计与性能研究

压电振动能量采集将环境中普遍存在的机械能转换为电能,可以实现自供能传感、控制与驱动,具备灵活、节能环保、可持续的优势,具有广阔的应用前景.为了促进压电振动能量采集器件的集成与融合,提出面内压电振动能量采集,将压电振动能量采集器进行扁平化设计,使其在二维平面内采集振动能量,在保证较大功率输出下能够显著减小器件所需三维空间.为了提高输出功率与工作频宽,设计了具有双稳态与力放大机制的面内压电振动能量采集器.考虑弯张小变形,通过能量法建立了面内压电振动能量采集器的机电耦合动力学模型.分析了关键设计参数对面内压电振动能量采集器性能的影响.数值仿真了面内压电振动能量采集器在简谐激励下的俘能性能,结果表明,通过合理的设计,面内压电振动能量采集器可以低频、宽频弱激励下有效俘获能量.面内压电振动能量采集设计方法有利于推动便携式、可穿戴式自供能等方面的应用和产业化.     

附磁压电悬臂梁流致振动俘能特性分析

流致振动蕴含巨大的能量, 本文基于流致振动理论,设计了一种附加磁力激励的压电悬臂梁流致振动俘能器,并通过理论和实验研究其振动俘能特性.该俘能器由压电悬臂梁、圆柱绕流体和磁铁组成;首先基于Euler-Bernoulli梁理论,推导了流致振动附磁压电俘能器的能量函数,利用Hamilton原理建立了流致振动附磁压电俘能器的机电耦合方程;利用数值方法研究详细分析了流速、圆柱绕流体直径和长度、磁间距、磁极和外接电阻等系统参数对压电俘能器振动特性和输出电压的影响.分析结果表明, 该型压电俘能器的振动幅值在低流速条件下产生涡激振动,并产生最大的输出电压;磁力可以降低压电俘能器的共振频率并能够拓宽压电俘能器频带带宽,因此,附磁压电俘能器具有相比没有附磁的压电俘能器更适用于低速层流环境;实验结果与数值结果吻合较好,验证了附磁压电悬臂梁流致振动俘能器的理论分析的正确性.      

带附加质量块的压电圆板能量采集器振动分析

基于圆板的压电能量采集技术在取代化学电池为低功耗电子器件提供能源方面具有巨大的潜能. 本文通过理论建模和数值仿真研究了考虑附加质量接触面积的压电圆板能量采集器的采集性能. 首先, 基于基尔霍夫薄板理论, 用广义哈密顿原理推导了带附加质量块的压电圆板能量采集器的机电耦合方程, 并用伽辽金法对方程近似离散, 通过离散方程得到电压、功率输出和最优负载阻抗的闭合解. 用有限元仿真对所提出的理论模型进行了验证, 结果表明该理论模型可以成功地预测压电圆板能量采集器输出电压和功率. 最后, 基于闭合解探讨了负载阻抗、附加质量块、压电圆板的内外半径等相关参数对压电圆板能量采集器固有频率、输出电压和功率的影响. 结果表明, 当质量块与复合板的接触半径足够小(本文中接触半径小于板半径的1/14)时, 质量块与复合圆板的接触面积可以忽略; 相较于无孔的压电片, 内径位于2.5 ~ 4 mm范围内的压电片可以提高能量采集器的采集性能; 附加质量、压电片外径和负载阻抗的合理选择既可以降低压电圆板的固有频率, 还可以提高其采集性能.      

翼型颤振压电俘能器的输出特性研究

压电俘能器能够为自然界中低功率的微机电系统持续供能. 为了模拟机翼的沉浮?俯仰二自由度运动和有效俘获气动弹性振动能量, 本文提出一种新颖的翼型颤振压电俘能器. 基于非定常气动力模型, 推导翼型颤振压电俘能器流?固?电耦合场的数学模型. 建立有限元模型, 模拟机翼的沉浮?俯仰二自由度运动, 获得机翼附近的涡旋脱落和流场特性. 搭建风洞实验系统, 制作压电俘能器样机. 利用实验验证理论和仿真模型的正确性, 仿真分析压电俘能器结构参数对其气动弹性振动响应和俘获性能的影响. 结果表明: 理论分析、仿真模拟和实验研究获得的输出电压具有较好的一致性, 验证建立数学和仿真模型的正确性. 仿真分析获得机翼附近的压力场变化云图, 表明交替的压力差驱动机翼发生二自由度沉浮?俯仰运动. 当风速超过颤振起始速度时, 压电俘能器发生颤振, 并表现为极限环振荡. 当偏心距为0.3和风速为16 m/s时, 可获得最大输出电压为17.88 V和输出功率为1.278 mW. 功率密度为7.99 mW/cm3, 相比较于其他压电俘能器, 能实现优越的俘获性能. 研究结果对设计更高效的翼型颤振压电俘能器提供重要的指导意义.      

基于压电振动能量俘获的弯曲结构损伤监测研究

建立了含裂纹损伤的曲梁压电能量俘获系统在强迫振动下的动力学模型. 基于Prescott型压电曲梁力电耦合振动方程的解析解和裂纹截面处的连续性条件, 求解了含裂纹损伤的压电曲梁的格林函数. 根据线性叠加原理, 对含裂纹的力电耦合模型的系统方程解耦, 得到强迫振动下含裂纹损伤的曲梁压电俘能器的输出电压. 在得到模型的强迫振动解析解后, 提出逆方法检测结构中的裂纹损伤, 这一检测方法适用于处于振动状态下的结构. 在数值计算中, 令裂纹深度为零, 通过对比本文的解析解与现有文献中的解析解, 验证了本文解的有效性. 分别分析了含裂纹损伤的压电曲梁的电压响应与裂纹深度、裂纹位置、材料的几何参数以及阻尼之间的关系. 研究结果表明: 裂纹的存在对曲梁式压电俘能器的影响比直梁式更加复杂; 裂纹出现时, 损伤曲梁在健康曲梁的一阶频率值处一定会出现波动并被激励出二阶频率, 此时的二阶频率是开路中健康压电曲梁的一阶频率值; 通过对电压响应的检测可以确定的损伤裂纹的深度和在结构中出现的位置范围; 利用振动问题的解来检测压电曲梁的健康状况是可行且准确的.      

一种具有新型动力放大器压电悬臂梁俘能器计算模型和解析解

为了提高压电振动能量俘获的效率,提出了一种新型的压电悬臂梁俘能器。新的压电俘能器在悬臂梁固定端安装一个新型动力放大器系统,另一端带有一个有限尺寸的质量块。新型动力放大器由平移及转动约束的弹簧-质量块系统组成。考虑有限尺寸质量块的质量分布效应和平移及转动约束的弹簧刚度等结构参数的影响,利用广义Hamilton原理,针对带有新型动力放大器的压电式悬臂梁俘能器,建立了分布参数型运动微分方程,获得了相应的特征函数,分析了自振频率和能量俘获效果。分析结果表明,考虑质量块偏心距和转动惯量可提高能量俘获效率的预测精度;合理选择动力放大器的平移及转动弹簧刚度可提高能量俘获的效率,降低俘能器的共振频率。     

曲梁压电俘能器强迫振动的格林函数解

本文运用格林函数法求解了曲梁压电俘能器在强迫振动下的解析解.运用微分法分析了压电层合曲梁结构面内各内力,根据曲梁压电 俘能器的动力学方程组,基于压电本构关系,建立了包含径向阻尼但不考虑俘能器曲梁结构部分的轴向力以及轴向惯性项的Prescott力 电耦合模型. 采用Laplace变换法求得了耦合振动方程的格林函数解.根据叠加原理和格林函数的物理意义,对耦合的系统方程解耦进而 求得强迫振动下曲梁压电俘能器的输出电压. 数值计算中,通过与现有文献的解析解进行对比,验证了本文解析解的有效性,并研究了阻 尼、电阻等重要物理参数对压电函数和谐振频率的影响.通过与有关传统直梁压电俘能器研究成果的对比,体现了曲梁压 电俘能器Prescott模型的高效集能特性. 数值分析研究表明:(1)使得曲梁俘能器达到最大输出电压时连接的最优负载电 阻为1 M$\Omega$;(2)通过更换适当的基底材料,降低材料的弹性模量,可以改变曲梁俘能器的高基频现象,以使结构适应 更复杂的工作环境,但这会导致俘能器的工作效率降低.      

Global nonlinear distributed-parameter model of parametrically excited piezoelectric energy harvesters

A global nonlinear distributed-parameter model for a piezoelectric energy harvester under parametric excitation is developed. The harvester consists of a unimorph piezoelectric cantilever beam with a tip mass. The derived model accounts for geometric, inertia, piezoelectric, and fluid drag nonlinearities. A reduced-order model is derived by using the Euler–Lagrange principle and Gauss law and implementing a Galerkin discretization. The method of multiple scales is used to obtain analytical expressions for the tip deflection, output voltage, and harvested power near the first principal parametric resonance. The effects of the nonlinear piezoelectric coefficients, the quadratic damping, and the excitation amplitude on the output voltage and harvested electrical power are quantified. The results show that a one-mode approximation in the Galerkin approach is not sufficient to evaluate the performance of the harvester. Furthermore, the nonlinear piezoelectric coefficients have an important influence on the harvester’s behavior in terms of softening or hardening. Depending on the excitation frequency, it is determined that, for small values of the quadratic damping, there is an overhang associated with a subcritical pitchfork bifurcation.     

双稳态压电俘能器的簇发振荡与俘能效率分析

本文从理论上分析了双稳态压电俘能器在高频激励下的动力学行为和低频激励下的簇发振荡, 旨在为系统找到多条高能轨道从而提高俘能效率. 首先, 介绍了双稳态压电俘能器的结构以及一般模型. 与工程上研究俘能器的目的不同, 本文主要从动力学方面分析了俘能器的运动, 电压输出与效率, 包括高频激励下系统的低能阱内周期运动、阱间混沌运动等, 并说明了单个低频激励下双稳态压电俘能器会在阱间高能轨道上发生簇发振荡, 但在阱内低能轨道上只做周期运动. 同时, 结合振幅以及势阱深度等因素对簇发振荡的存在性和强度进行分析. 为了说明高能轨道与低能轨道对系统俘能效率的影响, 讨论了不同的等效阻尼、负载电阻下俘能器输出电压的变化, 找到了最优匹配. 最后, 对于多个低频外激励的情况, 从不同的轨道组合模式上得到了双高能簇发振荡模式输出的电压最大, 其次是单高能簇发振荡与单低能周期振荡的组合模式, 输出电压最低的是双低能周期振荡模式. 并与单个外激励进行对比, 表现了多个激励的良好性能.      

Design and dynamic analysis of integrated architecture for vibration energy harvesting including piezoelectric frame and mechanical amplifier

Vibration energy harvesters(VEHs) can transform ambient vibration energy to electricity and have been widely investigated as promising self-powered devices for wireless sensor networks, wearable sensors, and applications of a micro-electro-mechanical system(MEMS). However, the ambient vibration is always too weak to hinder the high energy conversion efficiency. In this paper, the integrated frame composed of piezoelectric beams and mechanical amplifiers is proposed to improve the energy conversion efficiency of a VEH. First, the initial structures of a piezoelectric frame(PF) and an amplification frame(AF) are designed. The dynamic model is then established to analyze the influence of key structural parameters on the mechanical amplification factor. Finite element simulation is conducted to study the energy harvesting performance, where the stiffness characteristics and power output in the cases of series and parallel load resistance are discussed in detail. Furthermore, piezoelectric beams with variable cross-sections are introduced to optimize and improve the energy harvesting efficiency. Advantages of the PF with the AF are illustrated by comparison with conventional piezoelectric cantilever beams. The results show that the proposed integrated VEH has a good mechanical amplification capability and is more suitable for low-frequency vibration conditions.     

A piezoelectric based energy harvester with dynamic magnification: modelling,design and experimental assessment

This work presents a simple and innovative piezoelectric energy harvester, inspired by fractal geometry and intrinsically including dynamic magnification. Energy harvesting from ambient vibrations exploiting piezoelectric materials is an efficient solution for the development of self-sustainable electronic nodes. After an initial design step, the present work investigates the eigenfrequencies of the proposed harvester, both through a simple free vibration analysis model and through a computational modal analysis. The experimental validation performed on a prototype, confirms the accurate frequency response predicted by these models with five eigenfrequencies below 100 Hz. Despite the harvester has piezoelectric transducers only on a symmetric half of the top surface of the lamina, the rate of energy conversion is significant for all the investigated eigenfrequencies. Moreover, by adding a small ballast mass on the structure, it is possible to excite specific eigenfrequencies and thus improving the energy conversion.     

基于人体运动的压电-电磁混合式振动能量采集研究

将人体运动产生的动能转化为可利用的电能为传感器供电一直是能量采研究中的一个热点.如何有效利用人体运动,增强环境适应能力以及提高能量采集性能仍是俘能研究中需要解决的关键问题.论文基于人体运动特性,设计了一种新型的混合式能量采集器,同时具有压电和电磁转化机制.压电俘能是基于压电梁变形产生电能,电磁发电机采用堆叠磁组构型来切割线圈产生电动势.首先建立了混合式能量采集器的动力学理论模型,用来描述输出电压特性,并与实验进行了对比验证.理论与实验研究均表明,混合式俘能器的输出电压在一定激励频率范围内出现两个波峰.通过调节压电梁长度,可以改变峰值大小以及两个峰值间的频段范围.人体运动实验表明,混合式俘能器中可以在短时间内提供较高的电压输出,比如当跑步速度为5 km/h时,3 s内就可以输出1.1V直流电压驱动传感器工作;跑步时长为30 s时,传感器正常工作时常可以达到77 s.论文设计的混合式俘能器不仅可以快速供电,还具有较强的续航能力,这为电池充电或传感器供电提供了潜在的应用价值.     

The effect of the beam shapes on the doubly-clamped piezoelectric energy harvester

For a piezoelectric energy harvester composed of a doubly-clamped beam with arbitrary width shapes and a proof mass, the influence of beam shapes and electrode arrangements on different electric outputs is analyzed. The output performances of piezoelectric energy harvesters with rectangular shape, concave trapezoidal shape, and concave parabolic shape are compared, and an optimization way is given. The experimental results validate the effectiveness of the methods.     

附磁阶梯变厚度悬臂梁压电俘能器的理论建模及分析

论文建立了一种附磁阶梯变厚度压电悬臂梁的动力学模型并分析了系统的俘能特性。基于Euler-Bernoulli梁理论分段建立系统能量函数并引入非线性磁势能,利用Lagrange方程建立了系统机电耦合动力学方程;利用数值方法分析了磁间距对系统振动特性的影响,此外还研究了系统单稳态和双稳态响应,探讨了厚度比、长度比、磁间距和外激励幅值对系统动力学响应和俘能特性的影响。结果表明,磁间距是影响系统势能的主要因素,调节磁间距可使系统产生单稳态和双稳态响应,从而有效提高俘能器俘能特性;与传统等截面悬臂梁压电俘能器相比,通过优化结构参数,附磁阶梯变厚度悬臂梁压电俘能器能够发生明显的非线性振动现象,实现宽频带振动能量采集。     

等效刚度对非线性压电俘能系统性能影响研究

基于Hamilton原理,考虑几何非线性和梁的不可伸长条件,建立了五层压电双晶片叠合梁俘能器在直接和参数激励作用下的运动微分方程。利用Galerkin法和谐波平衡法获得了俘能器的位移、输出电压和输出功率的解析解。引入随时间变化的扰动,提出了非线性方程解的稳定性条件。为了对压电俘能器的结构-性能关系进行综合分析,研究了被动层的配置形式、被动层与主动层的厚度比和弹性模量对压电俘能系统性能的影响。结果表明,在叠合梁厚度不变的情况下,采用五层的压电双晶片叠合结构,选择合理的被动层与主动层厚度比、被动层弹性模量、被动层厚度比和负载电阻,可以有效提高能量俘获的效率。     

COUPLED ANALYSIS FOR THE HARVESTING STRUCTURE AND THE MODULATING CIRCUIT IN A PIEZOELECTRIC BIMORPH ENERGY HARVESTER

The authors analyze a piezoelectric energy harvester as an electro-mechanically coupled system. The energy harvester consists of a piezoelectric bimorph with a concentrated mass attached at one end, called the harvesting structure, an electric circuit for energy storage, and a rectifier that converts the AC output of the harvesting structure into a DC input for the storage circuit. The piezoelectric bimorph is assumed to be driven into flexural vibration by an ambient acoustic source to convert the mechanical energies into electric energies. The analysis indicates that the performance of this harvester, measured by the power density, is characterized by three important non-dimensional parameters, i.e., the non-dimensional inductance of the storage circuit, the non-dimensional aspect ratio （length/thickness） and the non-dimensional end mass of the harvesting structure. The numerical results show that： （1） the power density can be optimized by varying the non-dimensional inductance for each fixed non-dimensional aspect ratio with a fixed non-dimensional end mass; and （2） for a fixed non-dimensional inductance, the power density is maximized if the non-dimensional aspect ratio and the non-dimensional end mass are so chosen that the harvesting structure, consisting of both the piezoelectric bimorph and the end mass attached, resonates at the frequency of the ambient acoustic source.     

压电俘能器结构及其力/电耦合作用分析

介绍了一种新的切实可行的能量俘获方法,即通过压电结构的力/电转换功能从环境振动中提取能量,实现微电子器件的无线供能.这种由压电结构制作的能从环境振动中提取能量的声波器件称为压电俘能器,可分为两类:一类是压电结构在环境振动激励下所输出的功率直接供给微电子器件工作,不进行能量储存,这类俘能器称为第一类压电俘能器(piezoelectric power harvester);另一类是环境振动较弱,压电结构的输出功率低于器件的瞬时耗能,考虑到某些器件大部分时间处于休眠状态,而俘能器却随时可以从环境振动中提取能量,因此经过一段时间的能量累积后,由俘能器所储存的能量仍能满足器件的短期工作耗能.显然,这类俘能器需要具备能量储存功能,称为第二类压电俘能器(piezoelectric energy harvester).本文详细介绍了压电俘能器结构以及两类俘能器的不同分析方法,阐述了提高俘能效率的有效措施并揭示了相关的改进机理,对压电俘能器的设计和应用具有重要意义.     

磁耦合式双稳态宽频压电俘能器的设计和俘能特性

为了同时提高振动能量俘获系统的效率和实用性, 俘能器主结构的振动特性与环境振动特性的匹配度显得尤为重要. 非线性系统复杂的动力学行为为设计高效的俘能器奠定了基础, 但结构一旦被设计、生成出来, 其工作频率往往是固定的, 无法根据环境中的振动而发生相应的改变. 本文利用可移动铰支座和非线性磁力设计了一种具有双稳态特性的宽频压电俘能器, 通过拓宽压电俘能器的工作频带, 来匹配环境中较宽的振动频率. 为了保证系统低频宽带的俘能效果, 详细分析了结构的长度比、磁间距、负载阻抗、外激励频率和幅值等对系统线性刚度、非线性刚度以及动力学行为的影响, 并进行了实验验证. 首先将系统简化为欧拉-伯努力梁, 利用拉格朗日方程建立系统的非线性动力学方程, 并利用谐波平衡法进行求解. 针对理论分析给出的不同外激励频率下的最优长度比, 搭建了实验平台进行验证. 理论和实验的结果表明: 非线性磁力的引入使系统呈现负刚度特性, 使俘能器能够在单稳态和双稳态之间的变换, 实现低频俘能效果; 通过调节可移动铰支座的位置, 改变系统的长细比, 能够实现从0到16 Hz的宽频俘能效果.      

Bayesian system identification and chaotic prediction from data for stochastic Mathieu-van der Pol-Duffing energy harvester

In this paper, the approximate Bayesian computation combines the particle swarm optimization and sequential Monte Carlo methods, which identify the parameters of the Mathieu-van der Pol-Duffing chaotic energy harvester system. Then the proposed method is applied to estimate the coefficients of the chaotic model and the response output paths of the identified coefficients compared with the observed, which verifies the effectiveness of the proposed method. Finally, a partial response sample of the regular and chaotic responses, determined by the maximum Lyapunov exponent, is applied to detect whether chaotic motion occurs in them by a 0–1 test. This paper can provide a reference for data-based parameter identification and chaotic prediction of chaotic vibration energy harvester systems.