俘能器
- 可变形式翼型钝体的风致振压电俘能器
等原理为基础的俘能器进行了多方面的研究［1-4］。电磁式适用于高速旋转环境、摩擦式适用于微表面接触环境，相较于前两者，压电俘能器的优势在于结构简单，易集成一体化微机电系统、无电磁干扰及对材料的损耗较小等［5-7］。根据应用领域工作环境中存在能量的不同，压电俘能器大致可分为风致振式［8］、旋转式［9］、振动式［10］三类。其中，风致振压电俘能器主要依靠钝体受风力影响产生振动激励压电陶瓷进行发电，其根据激励钝体的结构主要分为三类，分别为单钝体式、多钝体式及复合
光学精密工程 2023年24期2024-01-04
- 不倒翁式电磁俘能器的非线性动力学特性研究1)
性,进一步提高俘能器俘获水流能量的性能.Zhao 等[16]设计了一种机械智能波浪能俘获系统,使用机械结构对激励进行调控,通过纳米摩擦发电与电磁感应相结合的方式实现对海洋波浪的高效俘获.电磁结构因其效率高、成本低和结构简单等优点,广泛应用于大型海洋发电站中[17].然而,传统电磁俘能器很难匹配海浪的低频与随机的特性.因此,研究人员设计了摆结构[18-20]、振荡水柱[21-22]、振荡浮子[23]等结构以提高俘能效率.Li 等[24]基于混沌摆结构设计了一
力学学报 2023年10期2023-11-16
- 利用斜齿离合升频机制实现瓦级输出的超低频电磁式振动能量收集器1)
近年来各类压电俘能器件层出不迭,但是压电器件也面临一些难以解决的问题,如压电陶瓷高频加载易碎,无法高效地收集微小激励下的振动能量、输出功率不高等;电磁感应发电是目前应用广泛且较为成熟的发电技术,具有高功率输出,被广泛应用于能量收集领域.然而,来自周围环境和人类的机械动能通常具有低频和不规则的特点[35],这极大地限制了其适用条件和能量收集效率的提升[36].最近,研究人员已经开发了许多从低频和不规则激励中收集能量的方法,包括共振运动[37]、升级结构[38
力学学报 2023年10期2023-11-16
- 基于自旋梁的压电振动能量采集与动力学分析1)
究了悬臂式压电俘能器在基座横向运动时所产生的横向振动的精确解析解.Zhao 等[13]应用格林函数法对悬臂式Timoshenko 直梁压电俘能器进行了动力学分析,得到了强迫振动的解析解,并探究了各类因素对电压响应的影响.在直梁的基础上,何艳丽等[14]用格林函数法对Timoshenko 曲梁压电俘能器进行了动力学分析,此外,赵翔等[15]提出采用逆方法对含裂纹的曲梁压电俘能器进行损伤检测.Niazi 等[16]提出了一种带动态放大器的悬臂压电-磁致收缩双稳
力学学报 2023年10期2023-11-16
- 基于翅片超表面钝体的流致振动俘能特性研究1)
机制.由于压电俘能器裸机成本低、体积小、操作方便、易于扩展和集成等优点,其被认为是一种具有竞争力的俘能技术,在自动化领域得到了广泛地应用.流致振动根据振动机制主要分为涡激振动[14](vortex-induced-vibration,VIV)、驰振[15]、颤振[16]和抖振[17]等.由于涡激振动与驰振具有在低流速下有利于能量俘获的振动特性,许多学者对其进行了广泛的研究.为了使基于涡激振动的压电俘能器(VIVbased piezoelectric ene
力学学报 2023年10期2023-11-16
- 风致及振动环境下压电俘能器的设计与研究
直接获取能量的俘能器就成为了许多学者重点研究的对象。弹药在勤务处理和上弹工作过程中受振动环境和风致环境的影响,环境中风能和振动能都可以用来俘获并转化为电能[1-2]。风能和振动能是有效安全的可持续能源,可通过压电[3-5]、电磁[6-7]、摩擦[8-9]、静电[10-11]等不同方式采集和转化,并应用于子弹药微功耗系统中。近年来,国内外学者对振动型自俘能系统已经开展了一定的研究,取得了一些成果。Zhang[12]设计了一种在振动环境下的电磁俘能器,通过磁铁
兵器装备工程学报 2023年10期2023-11-13
- 圆柱斜切体涡激振动压电俘能器的输出特性研究
电涡激振动能量俘能器组成,分别安装在风洞中与来流方向平行的一个平面上,采用格子-玻尔兹曼方法对圆柱涡激振动的振动强度和圆柱周围压力分布进行了数值计算,研究了空间距离对系统能量收集性能的影响。杨敬东等[16]根据压电理论和尾流振子模型建立了二维涡激振动的压电能量收集数学模型,对圆柱加双压电臂的能量收集装置进行计算分析。张敏等[17]采用xFlow与OpenModelica建立了流-机-电耦合计算模型,求解了涡激振动与高斯定律联立方程,通过对涡激振动压电能量收
科学技术与工程 2023年26期2023-10-09
- 汽车悬架的振动俘能与汽车平顺性仿真研究
化为热能,振动俘能器主要利用一定的机械结构将车辆的振动能转化为电能,并将其存储在电池中以供使用。ZHANG[3]等人设计了一种倍速减振俘能器,该俘能器能有效回收车辆振动产生的能量。YU[4]等人基于精细化管理策略提出了一种汽车振动能量管理系统,通过台架实验研究了该方案的有效性。ZHOU[5]等人设计了一种由汽车悬架和俘能器组成的磁能量收集装置,仿真和实验研究了该俘能装置的输出性能。尽管学者们针对振动俘能器进行了许多研究,但这些俘能器大多是线性结构[3-5]
计算机仿真 2023年7期2023-09-04
- 钝体表面附着物对低速水流压电俘能器性能影响研究1)
能的驰振式压电俘能器为低速水流能的利用提供了解决方案[10].利用驰振式压电俘能器将低速水流能量转化为电能,可以为微机电系统[11-12]和无线传感器[13-14]供电.目前已经存在一些关于利用低速水流能的压电俘能器研究.曹东兴等[15]设计一种利用永磁铁增强流致振动的压电俘能器.实验结果表明: 水流速度为0.5 m/s 时,输出功率的均方根值为120 μW,与无附加磁体的压电俘能器相比提高了57.8%.单小彪等[16]提出一种在水中完全淹没的尾流激振式压
力学学报 2023年7期2023-08-06
- 扭摆式多方向压电振动俘能器的研究
等原理的微小型俘能器的研究成为国内外的前沿热点[1-5]。每一类微型俘能器都有其自身的优势和适用领域[6]，压电俘能器的优势在于结构简单、无电池干扰、易于实现结构上的微小化，故其适用范围更广，已逐步用于俘获自然环境中振动能[7]、人体动能[8]、旋转机械动能[9]及流体动能[10]等能量。这些能量最终都是通过压电振子的振动转化为电能[11]。传统的压电振动俘能器大都采用端部固定有质量块的压电振子作为换能部件，所适应的振动方向单一、有效频带窄，无法满足多向振
中国机械工程 2023年4期2023-03-11
- 换向激励式压电振动俘能器
及摩擦电原理的俘能器成为研究热点[1-2］。每一类俘能器都有其自身的特点及适用领域，压电俘能器的优势在于能量密度大、结构简单及无电磁干扰等，可用于收集环境中的各种能量，如人体运动能、旋转动能、风能、波浪能及振动能[3-8］。其中，振动能无处不在，且能量密度高、不易受天气等因素的影响，故国内外学者对压电振动俘能器进行了大量研究。一部分学者通过引入非线性磁力系统来提高俘能器的输出性能，Fan[9］等提出了一种基于磁吸力的单稳态低频压电振动俘能器，通过磁力来降低
光学精密工程 2023年3期2023-03-10
- 面向立井提升系统的压电俘能器性能研究
]。目前，压电俘能器普遍存在能量转化效率低、采集频带窄、输出电压和功率低等缺点。Shahru[6]提出了一种等截面矩形悬臂梁阵列结构，通过改变矩形梁长度及附加质量大小，来调节振动俘能结构的共振频率，来提高输出电压，但并没有解决频带窄的问题；LI 等[7]提出了一种多模态压电能量回收装置，结果表明该俘能器在低频低幅环境振动情况下可以产生多个峰值电压输出；Ram 等[8]研究设计了一种适用于低频振动多维度采集压电俘能装置，采用复杂的压电基板拼接技术，其外形与叉
煤矿安全 2023年1期2023-03-04
- 磁力T型压电俘能器参数共振及其特性研究
电能的装置称为俘能器。由于压电俘能器具有结构简单、无污染、寿命长、易于实现装置的微小化等优点而成为了研究热点[3]，其最常见结构为压电悬臂梁。环境中的振动是多方向，现有的研究大多是研究直接激励（激励方向垂于梁长）下的压电俘能器，而对于参数激励（激励方向平行于梁长）的研究较少。文献[4]建立了参数激励下的压电俘能器集总参数模型，通过解析法和实验研究了多个参数对俘能器的影响。文献[5]推导了受参数激励悬臂梁的非线性分布参数模型，考虑了几何、惯性、压电材料等多种
机械设计与制造 2023年1期2023-02-09
- 双稳态压电俘能器的簇发振荡与俘能效率分析1)
充能.线性压电俘能器只在共振频率附近能够收集到较多能量,其有效工作的频率带宽很窄.为了拓宽系统的工作带宽,人们设计了多种方案来改善线性压电俘能器.如阵列式,多自由度等.与线性技术相比,非线性技术可以在更大的连续频率带宽上输出较大电流,从而提高能量收集的效率.非线性来源主要包括结构变形、外加非线性力等.Moon 等[8]最早提出双稳态结构是由悬臂梁及梁的自由端附近对称放置的永磁体组成.其耦合动力学可用负刚度Duffing 方程来描述,此时系统存在两个稳定平衡
力学学报 2022年11期2022-12-18
- 拨动式上变频压电俘能器的设计与研究
以下。压电振动俘能器在固有频率处的功率输出最高，且输出功率与固有频率正相关，而压电俘能器固有频率一般在几十、上百赫兹，若仅降低压电振荡结构的固有频率，则必须增大结构等效质量，减小刚度，但这样易导致结构损坏，且输出功率不易满足供电需求。针对低频、超低频振动能量收集，上变频压电俘能器[1]成为一个重要的研究方向。上变频压电俘能器通常分为辅助结构和压电结构两部分，辅助结构将低频环境振动转化为压电结构的高频振动，使压电结构在高频谐振响应时产生更高的输出功率。上变频
压电与声光 2022年5期2022-11-18
- 磁铁间距对双稳态压电悬臂梁俘能器输出特性的影响研究
性能。压电振动俘能器发生双稳态运动的主要途径就是采用永磁铁产生非线性回复力，该力使压电振子的势能函数呈现双势阱状态，捕获频带变宽。但环境中的大量振动源的激励频率往往具有可变性，一旦环境激励频率偏离压电振子的工作频带时，其俘获效率将会很低，输出电能小,因此，需要能够及时调整压电振子的工作频率区间来适应环境激励源的变化，其中一种重要的方法就是调节非线性回复力的大小。磁铁间产生的非线性回复力与磁铁间距有重要关系。因此，研究磁铁间距对压电悬臂梁俘能器工作频宽和输出
机械与电子 2022年10期2022-11-01
- 一种多稳态变势能函数压电俘能器及其特性研究
传统的线性压电俘能器工作带宽非常窄，只有当外界激振频率与系统固有频率相近时才能有较好的俘能特性[1]。近年来，非线性压电俘能器因其具有更宽的工作带宽、发电效率更高而受到了广泛关注[2-3]。研究表明：利用变势能函数结构能有效提高俘能器的性能。文献[4-5]提出了一种弹性支撑外部磁铁的结构，使系统在低幅激励下也能处于双稳振荡的状态；文献[6]在传统双稳态俘能器悬臂梁表面安装了带有弹簧的可移动磁铁，可移动磁铁与固定磁铁之间的磁力变化，则能够实现势能函数为可变，
仪表技术与传感器 2022年6期2022-07-27
- 基于ANSYS 软件的压电和电磁复合式振动俘能器设计
由此制成的振动俘能器具备各自的优点，彰显了潜在的应用价值.对于压电和电磁式振动俘能器的研究均受到了国内外许多科研人员的关注：Wang 等［3］将压电与电磁式2 种能量收集技术结合起来，实现了复合式振动俘能器，此俘能装置为悬臂梁结构，末端采用四极磁铁排列，外界振动发生时实现电能的收集，实验结果证实，通过有效地集成压电与电磁能量收集，可以产生比单一能量收集更多的能量；Sang 等［4］应用电磁转换理论和压电耦合效应，搭建了振动能量俘能器件测试系统，验证了多种混
首都师范大学学报（自然科学版） 2022年4期2022-07-20
- 含槽变截面悬臂式压电俘能器性能研究
一[1]。压电俘能器有两端固定式、一固一铰式、悬臂式，可以适用于不同场合，其中，悬臂式压电俘能器研究较多，文献[2]提出增加压电陶瓷铺设数目来增大悬臂梁固有频率，减小自由端最大位移，同时保持各监测点应变值不变。增大俘获能量的方法主要有以下两种：1)采用并联的方式[3]。虽然该方式结构复杂，但在增加能量的同时，可以加宽带宽。2)采用变截面形式。近期有关此方面的研究较多，梁形式可以采用等厚度梯形[4-5]、等厚度矩形+三角形[6]、变厚度圆台[7]等，结构稍微
压电与声光 2022年3期2022-07-16
- 压电叠堆—蜂鸣片复合俘能器设计*
]。叠堆式压电俘能器利用较高的d33压电系数,理论上能够收集较高的能量,但由于其纵向刚度大、应变困难,在低频振动下难以谐振,所以机电转换效率较低。为了提高叠堆式俘能器的机电转换效率,一方面是使叠堆谐振(给叠堆施加高频激振力或增大叠堆顶端等效质量块)：Timothy F等人[3]将118 g质量块固定在12 mm×4 mm×3 mm叠堆顶部,施加117.6 m/s2的振动加速度,在1 900 Hz的频率下叠堆谐振,获得210 mW的功率,但俘能器谐振频率仍然
传感器与微系统 2022年7期2022-07-15
- 基于低频声能量回收的压电式微型俘能器*
基于压电式微型俘能器，与在距离声源较远时，仍有不错的发电性能，通过实验验证了该俘能器可以远距离对微型电子器件供能，具有较大的应用前景。1 俘能器原理俘能器主要由Helmholtz共鸣器[6,7]、压电单晶片及接口电路构成，如图1所示，共鸣器上表面为弹性薄板，其余面为刚性面。当入射声波频率与Helmholtz共鸣器的共振频率相同时，入射声压在共鸣器腔体内放大，然后作用到薄板上，压电片贴合固定在薄板上，从上表面引出正负极，薄板带动压电片振动，使其产生形变，基于
传感器与微系统 2022年6期2022-06-28
- 基于MFC的地铁轨道振动能量收集研究
了一种压电阵列俘能器。现场测试表明，压电阵列的电压高于单个压电片，功率反而减小。高鸣源[4]设计了一种梁式压电俘能装置，将钢轨振动位移作为激励仿真计算了其发电响应。并通过室内试验验证其可行性。Wang等[5]研制了一种适用于低频重载的新型弯-压型俘能单元，建立了埋置俘能单元的轨道结构在移动荷载作用下的理论分析模型，并给出其理论电学输出。然而由于压电陶瓷本身脆性大、极限受拉承载力弱，导致基于传统压电陶瓷材的俘能器具有耐久性差等缺陷，与持续供能的初衷相违背。针
振动与冲击 2022年9期2022-05-16
- 弹性振幅放大器对参数激励压电俘能器的影响
量转换为电能的俘能器研究在近20年中已成为研究热点[1-3]。压电式俘能器因具有能量输出密度大，无须启动电源及结构简单等优点而受到广泛关注[4]。根据外界激励方向的不同，可以将压电式俘能器分为直接激励与参数激励。直接激励的外激励方向垂直于压电梁的梁长方向，而参数激励的外激励方向平行于压电梁的梁长方向。在直接激励方式下，Zamani等[5]提出了带有弹性振幅放大器的双稳态压电俘能器的二自由度非线性分布参数模型，结果表明，通过调节放大器和俘能器的质量和刚度比可
压电与声光 2022年1期2022-03-16
- 气动系统换向冲击压电俘能特性
]对圆盘式压电俘能器分别进行了理论分析和实验研究。程廷海等[14-17]提出了一种压电片阵列式俘能器，并在密闭环境、气动高压、定质量分数等状态下进行了气体冲击式实验。刘文博[18]在气动与磁力相结合条件下进行了压电发电机理与试验研究。王英廷等[19-20]利用分析、模拟与实验的方式探讨了多种密闭式和气动式压电俘能特性，为解决气动系统中的低功耗元件的续能提供了理论与实验基础。阚君武等[21]提出一种错位旋磁激励压电俘能器，进行了仿真，并实验测试了动磁铁转速、
液压与气动 2022年1期2022-01-23
- 线形-拱形组合梁式压电俘能器振动特性研究
于传统线性压电俘能器工作频带窄，俘能效率低，且环境振源具有宽频带、多方向等特点，为此国内外专家学者提出多种压电俘能器以适应环境特点，提升俘能效率。Nguyen等［7］提出一种具有两自由度的双稳态压电俘能器，通过结构参数优化使各个自由度离散的共振频率接近，从而形成共振频率带以拓宽频带。Zhou等［8］提出了一种改进式的三稳态压电俘能器，通过调节底部两个可调磁铁的角度及间距能够有效地拓宽压电俘能器的响应带宽，提高能量收集效率。Liu等［9］提出一种双稳态压电俘
振动工程学报 2021年6期2022-01-12
- 并联磁力耦合式俘能器及其特性研究
并联磁力耦合式俘能器及其特性研究吴明轩，凌元淮（西南交通大学 机械原理教研室，四川 成都 610031）传统双稳态悬臂梁压电俘能器存在效率低、频带窄的弊端。为了提高俘能频带，本文提出一种并联磁力耦合式压电悬臂梁俘能装置，引入了磁力的耦合及压电片的并联。通过建立集中参数的的数学模型，使用龙格库塔数值仿真法对比分析了简谐激励下并联磁力耦合式压电悬臂梁俘能装置与单悬臂梁双稳态俘能器的运动状态及俘能特性。最后搭建实验平台进行实验验证。结果表明，磁力耦合和并联的加入
机械 2021年12期2022-01-10
- 线绳驱动转速提升式低频俘能器的设计与研究1)
研究的悬臂梁式俘能器结构简单、易于实现，但其工作频率较高、工作频带窄、不易收集低频机械能.Zhou 等[17]通过将非线性磁力[18]引入到悬臂梁式俘能器，使其产生单稳态[19]、双稳态[20]、三稳态[21-22]、多稳态[23]和内共振[24]等特性，从而利用软化或硬化频率响应特征[25-26]拓宽了悬臂梁式俘能器的工作频带[27]，但仍不能有效收集低频机械能[28].频率提升机制[29]，即将环境中的低频运动转换为悬臂梁的高频振动，为低频机械能的收集
力学学报 2021年11期2021-12-21
- 翼型颤振压电俘能器的输出特性研究1)
)引言振动能量俘能器是被认为一种有潜力、能替代的能量源，能够有效持续为低功率微机电系统供能[1-3].振动-能量转换机理通常包括压电式[4-5]、电磁式[6]、静电式[7]和摩擦电式[8-9].由于压电式在易制作、高能量密度和无电磁干扰等方面具有巨大优势，已经成为国内外学者研究的热点.流激振动广泛存在于自然环境中，蕴涵巨大的能量，包括涡激振动[10-11]、尾流激振[12-13]、颤振[14-15]和驰振[16-17].其中颤振是一种自激励、大幅值的气动弹
力学学报 2021年11期2021-12-21
- 线形-拱形组合梁式三稳态压电俘能器动力学特性研究1)
].压电悬臂梁俘能器具有结构简单、尺寸紧凑等优点，国内外学者对此开展了大量的研究工作[9-12].经典的线性压电俘能器只能在其共振频率附近有效工作，当环境激励频率远离俘能器共振频率时，俘能器可俘获的能量显著减少，这一问题严重制约俘能器的实际应用[13].为提升俘能器俘能性能，研究人员提出了各种拓频方法，根据不同原理，可分为线性拓频和非线性拓频[14]，线性拓频方式主要包括:多悬臂梁阵列[15]、L 型梁[16]、多自由度梁[17].尽管上述结构能够有效拓宽
力学学报 2021年11期2021-12-21
- 基于压电振动能量俘获的弯曲结构损伤监测研究1)
材料广泛应用于俘能器中[5-6].到目前为止，最常用的压电俘能器采用悬臂梁式，通常是由一个结构层和压电材料(如压电陶瓷PZT、压电复合材料PVDF)层组成[7].学者们对直梁压电振动能量俘获系统进行了大量且详细的研究.Erturk和Inman[8-9]在Euler-Bernoulli 梁假设下，研究了在基座横向运动时悬臂式压电俘能器横向振动的精确解析解.另外考虑到常用的单自由度谐波激励对预测悬臂梁的运动可能会产生不准确的结果，推导了修正因子以改进单自由度横
力学学报 2021年11期2021-12-21
- 面向压电振动能量俘获的电能管理电路综述1)
.由于压电振动俘能器具有结构简单、形状灵活、能量密度高、易于实现微型化等诸多优点而被广泛应用于振动能的俘获[4-8].然而，由于压电材料本身具有高容性阻抗的特点，导致俘获器的输出电能具有低电流、高电压的特性，其输出功率与负载有关;同时由于振动能量的特点，俘获器输出为交流电能，并不能直接充电池或给无线传感节点供电.因此，在压电俘能器(piezoelectric energy harvester，PEH)和无线传感节点之间必须加入电能管理电路，其功能是实现交流
力学学报 2021年11期2021-12-21
- 梯形悬臂梁压电振动俘能器的特性研究
理的不同，振动俘能器可以分为压电式[6]、电磁式[7]和静电式[8]。压电式振动俘能器有较高的能量密度、不受电磁干扰、结构简单以及易于微型化等优点，得到了广泛的关注和应用[9-10]。易志然[11]等设计了一种阶梯梁压电振动俘能器结构，实验研究结果表明：梁根部加强有助于压电材料利用率的提高以及发电功率的增加。王海[12]等设计了一种多质量块宽频压电能量收集器，实验研究结果表明：随着质量块数量的增加，压电悬臂梁的一阶固有频率降低、频宽增大和输出功率增加。但多
仪表技术与传感器 2021年11期2021-11-29
- 风致驰振型压电－电磁复合俘能器等效电路建模及参数影响分析*
振型压电或电磁俘能器的数学模型，研究了钝体截面形状[5－9]、外接负载[10－12]、机电耦合系数[13]、机械参数[14]、非线性力[15]等对俘能器切入风速和系统输出性能的影响关系。这些研究多是直接连接线性负载进行分析。也有一些研究人员从实际应用角度出发，通过建立风致驰振型压电俘能器的等效电路模型，以此实现与非线性接口电路相连的压电俘能器发电性能的评估[16－17]。为了提高系统发电能力，一些研究人员对压电－电磁复合俘能器进行了研究。对于压电－电磁复合
传感技术学报 2021年9期2021-11-12
- 单磁耦合式压电振动俘能器的建模与试验
电等原理的微型俘能器研究已成为国内外的热点[1-4]。其中压电振动俘能器具有结构简单、易微小化、输出能量密度大以及不易受天气影响等优势，故其适用范围更广，研究价值更高。悬臂梁式压电振动俘能器[5-10]因其结构简单而被广泛采用，但在实际环境中其振动频率及振幅变化范围大、不稳定，当激励频率远离压电振子固有频率时不宜被有效激励且振幅过大时易造成压电振子损毁，因此提高俘能器的频率适应性、有效带宽以及可靠性是提高其实用性的前提[11]。目前，用来提高俘能器频率适应
中国机械工程 2021年19期2021-10-20
- 等强度梁式压-磁耦合振动俘能器的性能分析
元器件采用振动俘能器供电成为可能[3-6]。目前振动俘能结构主要分为三种:压电式[7-8]、磁电式[9-10]以及静电式。但单一结构的振动俘能器普遍受到可收集频率范围窄、输出功率低的限制,使得振动俘能的实用性大大降低。以压电振动俘能技术为例,只有结构在共振频率周围才有较高的输出[11-12]。因此,Yang 等[13]在传统悬臂梁式压电俘能器上增加了末端质量,有效地降低了俘能器的固有频率。孙亚峰等[14]分析了不同宽度梯形梁对能量收集器各项性能指标的影响,
电子元件与材料 2021年7期2021-08-06
- 压电俘能器在矿井轨道振动中的应用研究
收装置又称压电俘能器，现存的压电俘能器主要采用悬臂梁结构，在悬臂梁的上下表面利用环氧胶固定压电片，同时为了达到增大振幅的目的，在悬臂梁一端设置质量块[10-11].Sodano等人采用能量法对悬臂梁压电能量回收装置进行了理论分析，研究表明该能量回收装置对低功耗电子产品及无线传感器的供电具有很大前景。Erturk等对单晶片和双晶片悬臂梁式压电能量回收装置进行了理论求解[12]，为压电能量回收装置的理论建模提供了思路。张之伟分析了压电俘能器在桥梁振动中的应用[
山西焦煤科技 2021年5期2021-07-07
- 拱形-线形非线性磁力耦合压电俘能器建模与特性分析
悬臂直梁式压电俘能器由于结构简单、制造方便等优点被广泛应用于能量收集。为提高能量收集性能，大量研究对直梁结构进行了优化与设计。Erturk等[3]设计了一种L型梁，研究表明这种L型梁具有2阶接近的谐振频率，相对于传统直梁，可以拓宽工作频带；Yang等[4]提出了一种拱形结构梁，仿真表明拱形结构具有更大、均匀的应力分布，相对于直梁，拱形结构梁有更高的电压输出和能量转换效率，且双拱形结构梁能量转换效率最高；Cao等[5]设计了一种具有2种不同厚度截面的梁，研究
振动与冲击 2021年9期2021-05-17
- 非线性压电俘能技术研究现状及趋势分析
由度的线性压电俘能器，线性压电俘能器有效工作频带很窄，一旦外界频率偏离其固有频率后，电能输出会急剧下降[3]。这显著限制了压电俘能器的应用，如何拓宽压电俘能器的有效工作频带被关注。比较而言，非线性压电俘能器在不牺牲能量密度条件下，可以在大的、连续的频带实现电能输出，有效提高俘能效率[4]。成当前压电俘能技术研究的重点，代表了压电俘能系统研究的发展方向[5]。本文对近几年非线性压电俘能器的研究进行了综述，主要内容包括非线性压电俘能器工作原理，不同原理的非线性
仪表技术与传感器 2020年12期2021-01-27
- 分段线性复合式振动俘能器的建模与实验*
供能方法。振动俘能器已被公认为是解决低功耗设备供电问题最具有发展潜力的技术途径。振动俘能器中最常见的能量转换机制有静电换能[1]、压电换能[2]和电磁换能[3-5]。其中，不需要额外辅助供电的电磁式能量俘能器(EEH)和压电式能量俘能器(PEH)受到了国内外研究者的更多关注。现实中主要环境振动源在一个比较宽的低频范围内(100 Hz以下)，然而大多数的振动俘能器简化为线性弹簧质量阻尼系统，振动的能量俘能器都将单峰振幅限制在窄频带内；外部激励存在与俘能器的谐
机电工程 2020年12期2020-12-24
- 不同激励下宽频磁浮俘能器俘能试验
激励下宽频磁浮俘能器俘能试验孙玉华1,2,3，李守太1,2,3，谢守勇1,2,3，李云伍1,2,3，高鸣源1,2,3,4※（1. 西南大学工程技术学院，重庆 400716；2. 丘陵山区农业装备重庆市重点实验室，重庆 400716；3. 西南大学智能传动和控制技术国家地方联合工程实验室，重庆 400716；4. 澳大利亚国立大学工程与计算机科学学院，堪培拉 2601，澳大利亚）振动能量俘获是获取可再生清洁能源的一种有效途径，具有广阔的应用前景，有利于社会的
农业工程学报 2020年18期2020-12-02
- 一种质量块-弹簧自参数共振压电俘能器研究
设备提供电能的俘能器研究越来越多[1-3]。其中，压电俘能器因其结构简单、能量密度高而备受关注[4-5]。目前多数压电俘能器是以直接激励方式工作。但有研究表明，参数激励比直接激励更能产生高的响应幅值[6]。Daqaq等[7]建立了参数激励压电俘能器的集中参数模型，并在该模型中考虑了几何非线性和惯性非线性。Abdelkef等[8]建立了参数激励压电俘能器的分布参数模型。Lan等[9]研究了带末端质量块的参数激励俘能器的内共振特性。参数激励压电俘能器存在的主要
压电与声光 2020年5期2020-10-28
- 一种压电式微型俘能器
角阵列式的压电俘能器。对稳压电路进行仿真分析，研究了该俘能器在低风速下以不同形式连接的电压输出特性，验证了俘能器对锂电池充电的可行性。实验结果表明，当压电振子以串联形式连接时，输出电压较高，且随风速增加而增加，在风速较低时仍有较好发电性能。当风速为12m/s时，最大开路电压有效值为20V，最高输出功率为0.28mW，输出电压通过稳压电路后，可输出稳定电压对锂电池充电，实测充电功率为0.17mW。关键词：涡激振动;阵列式;俘能器;风能;充电引言风能具有可持续
科学导报·学术 2020年28期2020-10-21
- 医用压电俘能技术的研究综述
决此问题。压电俘能器是将环境中的机械振动能转换成电能，可长期有效的供给低能耗电子产品/系统[2]。鉴于此，基于压电俘能技术，对医用自供能技术的研究现状、应用价值和发展前景进行综述分析，为医用压电设备自供能技术的研究提供一定的理论和技术支持。2 压电俘能技术的基本原理压电能量采集装置称之为压电俘能器，其工作原理是当压电材料沿极化方向受到外力作用时，受正压电效应影响，在电极表面产生电荷，电荷聚集而产生电压。影响压电俘能器性能的主要参数是压电材料的压电常数dij
机械设计与制造 2020年10期2020-10-21
- 层叠式磁力调频压电电磁复合能量收集器设计
. 本文在复合俘能器研究的基础上，建立调频俘能器机电耦合数学模型并对其进行分析，利用MATLAB 进行理论仿真. 制作层叠式压电电磁复合能量收集器样机，通过改变磁距可调节俘能器的谐振频率，使其与振源频率匹配，提高了俘能效率和输出功率，实验结果与仿真结果高度吻合，为实际工程应用提供了理论和实验依据.1 磁力调频压电电磁复合俘能器结构设计和工作原理图1 为层叠式磁力调频压电电磁复合能量收集器的结构简图. 能量收集器由FR4 板、质量块磁铁、调频磁铁、固定弹簧和
宜宾学院学报 2020年6期2020-07-14
- 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
1 引 言压电俘能器可以将环境振动转化成电能，为微电子器件自供电提供了一种可行的途径。线性压电俘能器LPH只能在固有频率附近非常有限的带宽内有效，能量转化效率低[1-3]。为了提高能量俘获的效率，双稳态非线性俘能器越来越受到学者重视[4]。相对于LPH而言，双稳态压电俘能器BPH的输出电压和工作频带都有大幅度改善[5-10]。然而，当外界激励强度较低时，BPH无法产生大幅度阱间运动，仅在单一势阱内产生小幅度阱内运动，因而不能充分发挥BPH的优势，降低了俘能
计算力学学报 2020年2期2020-05-23
- 非线性压电耦合对L型梁俘能器性能的影响
合系数对于计算俘能器将机械能转化为电能具有重要影响。在压电线性本构关系中，压电耦合系数被认为是常数[1]；但也有研究结果认为压电本构关系是非线性的[2]，即压电耦合系数Θ与压电陶瓷应变X之间为二次非线性关系，即Θ=θ(1+α|X|+βX2)，其中θ为线性压电本构关系中的压电耦合常数，α和β分别为非线性压电耦合一、二次项系数。在俘能器的性能分析中，Triplett等[3]将一次非线性压电耦合系数α≠0，β=0。结果表明，当激励较大时，非线性机电耦合关系能更准
压电与声光 2019年6期2019-12-17
- 基于压电俘能器的流体能量俘获技术研究现状
心主要放在压电俘能器本身的理论建模和构型研究上，忽视了其与环境的耦合影响。压电俘能系统是由环境振动源、俘能器以及外接电路组成，是多物理场相互耦合的能量转化过程。随着研究的深入，研究重心也从俘能器本身研究逐步发展为耦合环境振动源的压电俘能系统研究。流体是一种分布广泛，绿色环保，且可持续发展的能源。流体激励压电俘能器振动俘能同时涉及流体场、固体场和电场，是一个多物理场相互耦合的振动俘能过程，具有较高的学术价值和经济效益。本文围绕压电俘能器的流体能俘获方式，分析
振动与冲击 2019年17期2019-09-17
- 非线性双端固支梯形梁压电俘能器结构设计与特性分析
1-4]。压电俘能器作为一种振动能采集器，具有结构简单、无污染、无电磁干扰、易于小型化等优点，其产生的能量可以满足低功耗电子元器件的需求[5-7]。ROUNDY[8]将末端带有质量块的单悬臂梁式压电俘能器应用在无线传感网络节点中。自然环境中的振动源多为100 Hz以下的低频振动源[9-10]，而单悬臂梁式压电俘能器固有频率大多在100 Hz以上[11-12]，难以达到其谐振频率点，且其带宽窄，输出性能较差。因此，降低压电俘能器的固有频率、拓宽压电俘能器的带
农业机械学报 2019年7期2019-08-13
- 随机振动激励下的压电俘能器发电性能模拟与分析*
点。以往对压电俘能器发电性能的研究多采用简谐激励的方式[7-10],这种激励方式与实际环境振动源随机性和多样性特点不相符合。为了研究压电俘能器在实际环境中的发电性能,本文以路面不平度引起的车体随机振动作为激励源,研究压电俘能器在随机振动激励条件下的发电性能。首先建立路面-车辆系统垂向振动模型,通过引入路面不平度时域模型,分析车体振动时域响应。然后将车体响应作用于压电俘能器上,通过有限元方法分析压电振子的模态频率及外接负载对其发电性能的影响。获得的最优负载被
传感技术学报 2019年3期2019-04-10
- 多场耦合多方向振动俘能器建模及响应分析*
言压电式振动俘能器的设计需要充分利用系统固有频率与环境振动频率的相互匹配以达到性能最优。大多数环境激励表现出随机性[1]、宽频带及非周期性等特点，且伴有噪声[2]，使窄带线性谐振系统收集方式在实际工程中俘能效果不理想[3]。多场耦合振动俘能器利用力-电-磁多物理场耦合来收集环境振动能量，具有较宽的响应频带和广泛的适应能力。近年来基于多场耦合机理构建高效振动俘能器成为国内外的研究热点[4]。振动俘能器的性能研究一般是通过建立系统的机电耦合模型来确定系统能量
振动、测试与诊断 2019年1期2019-02-27
- 基于振动能量俘获的无线传感器自供能技术研究
节点进行设计，俘能器是整个无线传感器网络节点中的重要组成部分，可以为系统中的其它部件提供能量的需求。2 自供能技术自供能技术是一种通过收集周围环境中的能量而形成的一种技术，比如振动能量、风能、生能、热能以及电磁能，将这些能量转化为电能，为无线传感器以及其它的电子设备提供可靠、安全、稳定以及没有寿命限制的电能供应技术。按照自供能技术的方式，将传感器分为两种：有线传感器和无线传感器。有线传感器主要采用的是电池供电的方式，传播的距离非常远，操作方便，处理灵活，在
中国设备工程 2018年22期2018-12-17
- 动态气体载荷下磁力辅助式压电俘能器设计与实验
力效应提升压电俘能器获取气动系统压力能效率的相关研究还比较少见。此外，传统机械加载预应力的方式会大幅度降低压电陶瓷的寿命。为了解决上述问题，本文设计一种磁力辅助式压电俘能器。通过调节磁铁和高压气体参数，研究动态气体载荷激励下磁力辅助式盘型压电俘能器的发电特性。1 设计与理论分析磁力辅助式压电俘能器通过磁力调节盘型压电片表面电荷分布来提高发电能力。图1为磁力辅助式压电俘能器原理与结构示意图。陶瓷压电片由铜板基板与PZT-5H压电陶瓷组成，容腔的中心处带有圆形
农业机械学报 2018年9期2018-09-17
- 宽频压电振动俘能器的研究现状综述
的装置称为振动俘能器(vibration energy harvester)。根据能量转换原理不同，振动俘能器可分为压电式、电磁式、静电式和磁致伸缩式等类型。其中，利用压电材料制成的压电俘能器具有输出能量密度大、结构简单易于加工、无需外部电源、便于实现小型化和集成化等诸多优点，受到国内外的学者普遍关注，具有非常广阔的应用前景。最初学者们研究的压电俘能器大多数是以单自由度线性系统为基础，其工作频带非常窄，当外界激振频率与系统固有频率相匹配时发电性能最优；当激
振动与冲击 2018年8期2018-05-02
- 涡激振动型水力复摆式压电俘能器的仿真与实验研究
水力复摆式压电俘能器的仿真与实验研究宋汝君1，单小彪2，范梦龙2，谢 涛2(1. 山东理工大学 机械工程学院，山东 淄博 255049；2. 哈尔滨工业大学 机电工程学院，哈尔滨 150001)针对低速水流的能量收集问题，提出了一种复摆式涡激振动压电俘能器。该俘能器由压电悬臂梁与尾端圆柱平行连接组成，具有免予封装绝缘，振动响应大，易于在低速水流中产生涡激共振等优点。通过流-固-电耦合仿真分析和实验测试的方法，研究了水流流速对复摆式压电俘能器振动和俘能的影响
振动与冲击 2017年19期2017-11-06
- 双晶压电悬臂梁俘能器的建模与仿真*
双晶压电悬臂梁俘能器的建模与仿真*王新掌， 郝少帅， 许孝卓， 李红磊(河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南 焦作 454000)针对双晶片悬臂梁式压电俘能器的优化问题，考虑悬臂梁末端位移与质量块质心位移的差异，对Roundy数学模型进行了修正。通过ANSYS有限元软件对俘能器建模并进行模态分析和谐响应分析，当质量块长度逐渐变大时，修正后数学模型对俘能器一阶固有频率和输出电压有更好的预测精度。研究了质量块形状和负载对俘能器输出特性的影响规律，发现在质量
传感器与微系统 2017年4期2017-04-12
- 压电俘能器涡激振动俘能的建模与实验研究
哈尔滨)压电俘能器涡激振动俘能的建模与实验研究宋汝君1,单小彪1,李晋哲2,谢涛1(1.哈尔滨工业大学机电工程学院, 150001, 哈尔滨;2.东北林业大学机电工程学院, 150040, 哈尔滨)针对微机电系统和传感器等低能耗电子产品的持续供能问题,提出了一种涡激振动式压电俘能器。该俘能器由压电悬臂梁和末端圆柱体组成,结构简单,可在较低水流流速下产生涡激共振,得到较大的能量输出。通过数学建模和实验测试的方法,研究了水流速度和外接电阻对压电俘能器振动和俘
西安交通大学学报 2016年2期2016-12-21
- 直角复合梁压电俘能器多方向能量收集*
直角复合梁压电俘能器多方向能量收集*王红艳*，郭媛（齐齐哈尔大学计算机与控制工程学院，黑龙江齐齐哈尔161006）提出了一种可进行多方向能量收集的直角复合梁压电俘能器。使用有限元分析法得到了直角复合梁压电俘能器的功率频响曲线，并与常规复合梁压电俘能器进行了发电能力比较研究，随后参数化分析了金属主梁长度和附加质量对直角复合梁输出功率的影响关系。结果表明，相比于常规的复合梁，直角复合梁压电俘能器可以进一步减小两个谐振频率之间的距离，并且在两个激励方向（x向和z
传感技术学报 2016年8期2016-09-19
- 一种错位旋磁激励压电俘能器
位旋磁激励压电俘能器阚君武张肖逸王淑云汪彬余杰张忠华何恒钱浙江师范大学，金华，321004为解决现有旋磁激励压电俘能器动磁铁与定磁铁正对激励时易发生碰撞的问题，提出一种错位旋磁激励的压电俘能器，并进行了磁力耦合仿真分析以及动磁铁转速/径向激励距离/压电振子端部附加质量等对俘能器发电性能影响的测试试验。结果表明:动定磁铁错位配置可实现压电振子的有效激励，且存在多个使输出电压出现峰值的最佳转速；径向激励距离对最佳转速无影响，但对峰值电压影响较大，正/负向分别存
中国机械工程 2016年16期2016-09-08
- 全叉指电极d33 模式压电悬臂梁俘能器研究*
大的潜力。压电俘能器是收集振动能量的一种主要方式［1］。压电俘能器最常用的两种工作模式是d31模式和d33模式，d31模式采用悬臂梁结构，d33模式通常为叠堆结构［2］。韩国Jeon Y B 等人［3］首次提出了具有表面叉指电极的d33模式悬臂梁式压电薄膜俘能器，其输出电压是相同尺寸d31模式俘能器的20 倍。上海交通大学Tang Gang 等人［4］设计并制作了d33模式压电块体厚膜俘能器，在15 m/s2加速度下取得了5.36 V 的输出电压和7.18
传感器与微系统 2015年11期2015-04-01