检索结果-内蒙古大学图书馆

振动与冲击 2018年第8期37卷 190-199,205页

作者：徐振龙单小彪谢涛杭州电子科技大学机械工程学院杭州310018 哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨150001

随着便携式电子设备、微机电系统(MEMS)和无线传感器网络的广泛应用,化学电池供能的弊端日益显现。压电振动俘能器可以将环境中的振动能转换成电能,实现低功耗微电子产品的无线供能或能量自给。在实际应用中,为了增强俘能器的环境适应能... 详细信息

随着便携式电子设备、微机电系统(MEMS)和无线传感器网络的广泛应用,化学电池供能的弊端日益显现。压电振动俘能器可以将环境中的振动能转换成电能,实现低功耗微电子产品的无线供能或能量自给。在实际应用中,为了增强俘能器的环境适应能力,提高其俘能效率,宽频压电俘能技术成为当前的研究热点。介绍了压电振动俘能器的工作原理、常用压电材料和工作模式,综述了宽频压电俘能技术的国内外研究现状,分析了当前研究中存在的问题和不足,提出了未来可能的研究方向。压电振动俘能技术为低功耗微电子产品提供了一种稳定、安全、长久的新供能方式,具有良好的应用前景。

关键词：振动俘能器压电式宽频

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换向激励式压电振动俘能器

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光学精密工程 2023年第3期31卷 371-379页

作者：阚君武王凯孟凡许费翔张忠华翟仕杰祝孟松浙江师范大学工学院精密机械研究所浙江金华321004 浙江省城市轨道交通智能运维技术与装备重点实验室浙江金华321004

为提高在低频、宽带、高强度及大振幅振动环境下的可靠性,提出一种换向激励式压电振动俘能器,它由拾振器和换能器组成。换能器的振动方向垂直于拾振器振动方向(环境振动方向),振动方向的转换通过磁力换向结构实现,换向结构使响应振幅不... 详细信息

为提高在低频、宽带、高强度及大振幅振动环境下的可靠性,提出一种换向激励式压电振动俘能器,它由拾振器和换能器组成。换能器的振动方向垂直于拾振器振动方向(环境振动方向),振动方向的转换通过磁力换向结构实现,换向结构使响应振幅不随外部激励的增加而一直增加,从而提高可靠性。建立了俘能器的动力学模型,通过数值仿真和实验获得了相关参数对其输出特性的影响。仿真和实验结果表明:激励频率小于20 Hz时,该两自由度系统存在两阶谐振频率使输出电压达到峰值,一阶为拾振器谐振频率,二阶为换能器谐振频率。随着拾振簧片长度和拾振质量的增加,一阶谐振频率升高,所对应的输出电压基本不变;二阶谐振频率基本不变,所对应的输出电压逐渐升高;工作频带变宽。当外部激励振幅达到阈值时,换能器的响应振幅被有效控制,输出电压不再随之增加,最佳负载电阻为540 kΩ,此时输出功率最大为0.4 mW。实际应用中可通过改变俘能器的结构参数调整谐振频率及输出电压,将响应振幅控制在安全区域内,以适应低频、宽带、高强度及大振幅的工作环境。

关键词：压电振动俘能器低频换向激励响应限幅

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单磁耦合式压电振动俘能器的建模与试验

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中国机械工程 2021年第19期32卷 2288-2293,2304页

作者：张忠华柴君凌阚君武林仕杰王淑云黄乐帅浙江师范大学精密机械与智能结构研究所金华321004 浙江省城市轨道交通智能运维技术与装备重点实验室金华321004

为实现高可靠性及宽频带振动能量的回收,提出了一种单磁耦合式压电振动俘能器。建立了俘能器的动力学方程,采用COMSOL仿真分析了磁铁水平耦合距离d、竖直耦合距离h及耦合角α对势能的影响;设计制作了样机,并进行了试验测试。试验结果表... 详细信息

为实现高可靠性及宽频带振动能量的回收,提出了一种单磁耦合式压电振动俘能器。建立了俘能器的动力学方程,采用COMSOL仿真分析了磁铁水平耦合距离d、竖直耦合距离h及耦合角α对势能的影响;设计制作了样机,并进行了试验测试。试验结果表明,俘能器的势能曲线随水平耦合距离d减小由单势阱变为双势阱,且存在较佳的磁铁水平耦合距离(d=11 mm),使双势阱的阱深适中、俘能器的固有频率减小、有效频带变宽;竖直耦合距离h增大对有效频带的影响较小,h≤2 mm时,相较于无磁耦合(NMC)降低了固有频率;仅改变耦合角α时,存在最佳参数组合(d=14 mm、h=6 mm、α=67.5°)使俘能器获得较低的固有频率(16 Hz)和较宽的有效带宽(19.6 Hz),较无磁耦合时的有效带宽拓宽了6 Hz,进而提高了俘能器的发电性能。

关键词：磁耦合振动俘能器可靠性磁调频有效频带

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多场耦合多方向振动俘能器建模及响应分析

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振动．测试与诊断 2019年第1期39卷 1-8,217页

作者：张旭辉吴中华赖正鹏谭厚志樊红卫西安科技大学机械工程学院西安710054

针对多方向振动俘能器对低频、低幅值激励的响应输出性能低等问题,在振动俘能结构中引入非线性磁吸力,提高俘能器的响应频带和能量转换效率。研究了非线性磁振子模型,建立了基于广义Hamilton变分原理的横、纵向振动系统机电耦合模型,对... 详细信息

针对多方向振动俘能器对低频、低幅值激励的响应输出性能低等问题,在振动俘能结构中引入非线性磁吸力,提高俘能器的响应频带和能量转换效率。研究了非线性磁振子模型,建立了基于广义Hamilton变分原理的横、纵向振动系统机电耦合模型,对系统动力学方程进行无量纲化并数值求解。搭建了振动俘能器性能测试平台,开展了多场耦合振动俘能器频谱特性及响应输出的分析实验。结果表明,引入磁铁可显著提高系统能量转换效率,当磁铁间距15mm、激励幅值0.5m/s^2时,相比无磁力输入的情况,系统响应电压提高了6倍左右,谐振频率从18Hz降至9.5Hz左右,解决了压电俘能器频带窄、响应频率高及输出电压低等问题。

关键词：低频低幅振动多场耦合模型振动俘能器分布式模型响应分析

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双磁耦合式压电振动俘能器的性能分析与试验

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机械工程学报 2022年第20期58卷 150-157页

作者：王淑云任泽峰阚君武杨泽盟张忠华黄乐帅孟凡许浙江师范大学精密机械与智能结构研究所金华321004 浙江省城市轨道交通智能运维技术与装备重点实验室金华321004

为满足远程监测系统的自供电需求,针对现有压电振动俘能器存在的问题,提出一种双磁耦合式压电振动俘能器,通过将压电振子对称安装于辅助悬臂梁两侧构成组合换能器,使压电片在俘能过程中主要受压应力。经建模仿真,获得了定磁铁间距与水... 详细信息

为满足远程监测系统的自供电需求,针对现有压电振动俘能器存在的问题,提出一种双磁耦合式压电振动俘能器,通过将压电振子对称安装于辅助悬臂梁两侧构成组合换能器,使压电片在俘能过程中主要受压应力。经建模仿真,获得了定磁铁间距与水平耦合间距对系统势能的影响规律,以及不同激励条件下的系统动力学响应特性。为验证俘能器原理的可行性与仿真结果的正确性,制作了样机并测试了不同条件下俘能器的输出特性。结果表明:激励频率对俘能器输出波形影响较大;选取适当的定磁铁间距和水平耦合间距(11 mm≤d≤12 mm,10 mm≤l≤16 mm),可有效降低俘能器固有频率、拓宽频带且幅频特性曲线较为平坦,进而提高了俘能器的环境适应性和可靠性;激励频率为12 Hz、16 Hz及20 Hz时,试验所获得的最大输出功率分别为1.27 mW、2.88 mW及5.31 mW,其所对应的最佳匹配电阻约为70 kΩ。

关键词：压电振动俘能器磁耦合组合换能器宽频

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分段线性复合式振动俘能器的建模与实验

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机电工程 2020年第12期37卷 1459-1465页

作者：王浩宇杨欢彭利平刘德洋河海大学机电工程学院江苏常州213000

针对传统能量收集器的工作带宽窄和输出功率低等问题,对带有复合式俘能技术和非线性技术振动俘能器进行了研究。该俘能器将多个压电悬臂梁自由端共同连接线圈振子,获得多种换能方式,并引入了分段线性弹簧使系统具有拓展带宽的能力;对发... 详细信息

针对传统能量收集器的工作带宽窄和输出功率低等问题,对带有复合式俘能技术和非线性技术振动俘能器进行了研究。该俘能器将多个压电悬臂梁自由端共同连接线圈振子,获得多种换能方式,并引入了分段线性弹簧使系统具有拓展带宽的能力;对发电装置开展了理论分析,将装置简化为固支-导支梁,利用欧拉-伯努利梁理论建立了Rayleigh-Ritz近似分布参数模型,然后利用等效参数转化为集总参数机电耦合模型。研究结果表明:理论值与实验值的一致性较好,非线性弹簧引入振动俘能器会在共振峰右侧产生次共振峰值拓展带宽;同时,输出电压随着负载的增大单调增加,输出功率随着负载的电阻增加逐渐增大到某个最值后降低,最大输出达到27.6 mW/g 2。

关键词：振动俘能器压电电磁分段线性机电耦合建模

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辅助悬臂梁间接激励的磁耦合压电振动俘能器研究

辅助悬臂梁间接激励的磁耦合压电振动俘能器研究

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作者：黄乐帅浙江师范大学

学位级别：硕士

本文结合国家自然科学基金“基于组合换能器的磁力耦合辅助激励式压电振动发电机研究”的研究目标,为提高俘能器的可靠性及环境适应能力,提出了两种辅助悬臂梁间接激励的磁耦合压电振动俘能器,其利用辅助梁单向、间接激励压电振子进行... 详细信息

本文结合国家自然科学基金“基于组合换能器的磁力耦合辅助激励式压电振动发电机研究”的研究目标,为提高俘能器的可靠性及环境适应能力,提出了两种辅助悬臂梁间接激励的磁耦合压电振动俘能器,其利用辅助梁单向、间接激励压电振子进行发电。分析了辅助梁结构参数、磁铁配置参数及负载电阻等要素对俘能器输出特性的影响规律,从理论仿真和试验两方面对其进行了系统的研究。所完成的具体研究内容如下:1.建立了预弯压电振子及组合换能器的COMSOL有限元模型,研究了压电振子的结构参数(长度、宽度、预弯半径和厚度比)对其结构应力、固有频率及等效刚度的影响规律;详细分析了辅助梁的结构参数(长度、宽度和厚度)、压电振子刚度、附加质量及夹持长度等要素对组合换能器固有频率的影响规律,并通过试验验证了模型的正确性,为压电振子和辅助梁的优选提供了参考依据;2.介绍了间接激励磁耦合俘能器的结构及工作原理,建立了磁力耦合系统的动力学模型,利用COMSOL及MATLAB对模型进行了数值求解,分析了磁铁配置参数(间距和角度)、激励参数(振幅和频率)及初始条件等要素对两种辅助梁间接激励的磁耦合压电俘能器的势能及输出特性的影响,为后续的试验提供了理论参考;3.为验证理论与仿真结果的正确性,设计制作了单磁铁耦合和双磁铁耦合两种样机、搭建了试验测试平台,通过试验方法研究了等厚及不等厚的辅助梁结构参数(长度和厚度等因素)、磁铁配置参数(间距和角度)及激励参数(振幅、频率和激励方式)对两种辅助梁间接激励的磁耦合压电俘能器输出电压的影响规律;选取较优的参数进行了功率测试,获得了负载电阻对俘能器输出性能的影响规律;从试验的角度证明了所提出的辅助梁间接激励的磁耦合压电振动俘能器可同时提高其可靠性和环境频率适应性(俘能器固有频率和有效带宽)。

关键词：辅助悬臂梁间接激励磁耦合压电振动俘能器

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双簧片耦合激励的纵振-横摆式压电振动俘能器研究

双簧片耦合激励的纵振-横摆式压电振动俘能器研究

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作者：费翔浙江师范大学

学位级别：硕士

针对现有压电振动俘能器低频效果差、压电振子承受交变拉-压应力、可靠性低以及固有频率不可调节等问题,提出一种双簧片耦合激励的纵振-横摆式压电振动俘能器,利用耦合器中纵振簧片端部激励磁铁与组合换能器中横摆簧片端部受激磁铁间的... 详细信息

针对现有压电振动俘能器低频效果差、压电振子承受交变拉-压应力、可靠性低以及固有频率不可调节等问题,提出一种双簧片耦合激励的纵振-横摆式压电振动俘能器,利用耦合器中纵振簧片端部激励磁铁与组合换能器中横摆簧片端部受激磁铁间的磁力耦合作用实现两个簧片之间的振动方向转换和能量传递,横摆簧片再迫使其两侧的压电振子产生横向弯曲变形,进而将环境的纵向振动能转换成电能。从理论建模仿真与试验测试两方面进行了研究,所完成的主要研究内容包括:1.建立了压电振子、组合换能器以及激励磁铁和受激磁铁的COMSOL有限元模型并进行了仿真分析,研究了:压电振子结构参数(长度比及厚度比)对其力学特性以及输出性能(输出电压及功率)的影响规律,组合换能器结构参数(横摆簧片长度、厚度及夹持比)对其力学特性的影响规律,激励磁铁和受激磁铁空间相对距离对磁耦合力的影响规律。2.建立了纵振-横摆式压电振动俘能器的两自由度系统动力学模型并进行了仿真分析,研究了耦合器结构参数(纵振簧片长度及纵振质量)和组合换能器结构参数(夹持比、横摆簧片长度及横摆质量)对俘能器动力学特性的影响规律。结果表明:存在两个谐振频率使俘能器的振幅放大比出现峰值,且两个谐振频率及其所对应的峰值放大比均可通过耦合器和组合换能器的结构参数加以调节;两个谐振频率越接近振幅放大比幅值越大、相应的带宽越窄,存在较佳的结构参数使俘能器同时获得较大的振幅放大比和较宽的频带宽度。3.为验证理论研究结论的正确性,制作了试验样机并进行了试验测试,研究了纵振簧片长度、激励磁铁和受激磁铁间距离、纵振质量、横摆质量及激励振幅对俘能器输出电压的影响规律以及激励频率和纵振质量、横摆质量不同时负载电阻对输出功率的影响规律,证明了所提出的双簧片耦合激励的纵振-横摆式压电振动俘能器结构原理的可行性。结果表明:俘能器的幅频特性由耦合器和组合换能器共同决定,激励频率小于20Hz时存在两个较佳的谐振频率使输出电压最大;两个谐振频率由小到大分别为耦合器和组合换能器的固有频率,两个谐振频率及其所对应的输出电压均可通过俘能器结构参数来调节;在负载电阻为540kΩ时,试验中所获得的最大输出功率达0.2mW。

关键词：压电振动俘能器间接激励低频

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微型悬臂式振动俘能器的设计与研究

微型悬臂式振动俘能器的设计与研究

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作者：薛江涛北京工业大学

学位级别：硕士

随着微机电系统(MEMS)的发展,微型化、集成化、便携化成为了必然趋势,设备的运行功率大大降低,因此从外界环境中获取能源的技术成为了设计自供电MEMS的关键一环。振动俘能器可以将外界机械能转化为电能,主要分为压电式、静电式和电磁式... 详细信息

随着微机电系统(MEMS)的发展,微型化、集成化、便携化成为了必然趋势,设备的运行功率大大降低,因此从外界环境中获取能源的技术成为了设计自供电MEMS的关键一环。振动俘能器可以将外界机械能转化为电能,主要分为压电式、静电式和电磁式三种,其中压电式与静电式同MEMS具有更好的兼容性。振动俘能器的研究已经受到了研究者的广泛关注,技术也很成熟,目前主要的研究方向在于如何优化其工作性能,例如俘能器的工作带宽、输出功率和转换率。本文针对压电以及静电俘能方式,设计了两种新型的振动俘能器,即基于石墨烯基层的双梁碰撞结构的纳米俘能器和双输入结构的静电压电耦合俘能器。利用Hamilton原理,Hertz接触理论,Kirchhoff电路定律,压电效应、挠曲电效应和静电效应等,建立了机电耦合动力学方程,通过理论计算、有限元分析和实验验证的方法研究了不同参数下的两种俘能器的输出特性。文章主要研究内容分为以下几个方面:(1)设计了双梁碰撞结构的微纳型挠曲电俘能器。首先对该振动俘能器的基层材料进行了优化,对于微观尺寸,尤其是纳米尺寸的俘能器,其工作过程中的能量损耗问题不可忽视。针对常用的几种微纳型压电俘能器的基层材料,通过理论分析与有限元计算相结合的方法,计算了相同尺寸下悬臂梁的品质因子Q和悬臂式压电俘能器的转换效率,通过比较发现,在采用纳米晶体石墨烯作为基层时,能量损耗最低,俘能器对外界振动的敏感度最高。然后对双梁碰撞结构的纳米型俘能器进行建模,基于Hamilton原理和Hertz接触理论并考虑挠曲电效应得到了微纳型挠曲电俘能器的机电耦合方程,与基于挠曲电效应和Kirchhoff电路定律得到的电学方程构成了所设计俘能器的机电控制方程组,利用MATLAB ode算法求解得到了不同参数下俘能器的频响曲线,根据输出响应优化了双梁之间的间距与末端质量块的大小;同时利用宏观同结构器件实验验证了碰撞带来的宽频和升压的效果;利用转换效率的计算得到了最优阻抗。(2)设计了基于悬臂结构的静电与压电复合式俘能器。首先是双输入静电驻极体俘能器的设计,即通过在悬臂梁的自由端布置电容结构,利用梁振动过程中发生的挠度和转角,实现了两极板间正对面积和距离同时改变。验证了微观尺度下的电容边缘效应的存在和平行板电容计算公式的不适用性,推导了考虑边缘效应下所设计可变电容结构的电容随挠度变化的关系式。基于Newton第二定律、Kirchhoff电路定律和静电效应得到了双输入静电驻极体俘能器的机电控制方程组,对输出进行了求解,研究了梁长度、驻极体自身电容和寄生电容对俘能性能的影响,并通过对比验证了双输入结构的优势。然后进一步对双输入结构的静电驻极体俘能器进行了优化,通过在质量块上下两侧加入stopper限制悬臂结构的振动幅度,保护了电极板结构不被击穿。让电极板初始位置不正对,重新对电容计算公式进行了拟合。然后在改进后的结构的近固定端铺设了PVDF层,与双输入电容结构结合,在悬臂梁的振动过程中,既在压电层内产生了应变,同时又改变了自由端电容装置的电容,实现了压和静电耦合俘能。同时发现stopper的存在,不仅保护了电极,同时带来的碰撞宽频效果也改善了俘能器的性能,最后比较了复合式俘能器与独立式俘能器的输出转化率,验证了复合式俘能器高转化率的特性,同时在转化率的计算过程中得到了不同模块的最优阻抗。本文基于悬臂结构,通过改进基层材料、利用碰撞结构、将静电压电两种俘能方式复合的方法对微观俘能器的性能进行了改善,并进行了理论推导、有限元计算和部分实验验证。

关键词：振动俘能器品质因子碰撞宽频挠曲电效应静电压电复合

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基于压电和电磁协同作用的振动俘能器的结构设计和分析研究

基于压电和电磁协同作用的振动俘能器的结构设计和分析研究

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作者：黄世帆杭州电子科技大学

学位级别：硕士

本论文的研究首先在单一压电振动俘能器的基础上提出双L型结构低频多模态压电振动俘能器及其动力学仿真模型。根据对俘能器的振动仿真研究,从不同的角度对俘能器的输出性能进行预测和分析,并搭建实验平台进行多组实验验证。进一步地,在... 详细信息

本论文的研究首先在单一压电振动俘能器的基础上提出双L型结构低频多模态压电振动俘能器及其动力学仿真模型。根据对俘能器的振动仿真研究,从不同的角度对俘能器的输出性能进行预测和分析,并搭建实验平台进行多组实验验证。进一步地,在多能量转换机制上研究了一种压电-电磁协同作用的俘能器在不同连接拓扑下的机电耦合模型。基于对典型RCL振荡电路原理的分析,提出压电和电磁在电学上耦合的理论模型,设计并制作了样机。对俘能器在不同连接拓扑下的输出性能进行预测和分析,并进行相应实验平台的搭建和测试方案。对比不同连接拓扑下俘能器的输出性能,总结得到俘能器中压电和电磁部分进行电学耦合时具有更好的发电能力。并分析了耦合振动俘能器的结构参数和系统输入参数对其输出性能的影响,由此提出了一些针对压电-电磁耦合振动俘能器结构设计的建议。论文的主要工作及结论包括:(1)针对单一压电振动俘能器在低频环境中的输出性能不足,提出了一种基于双L型结构的多模态压电振动俘能器。分析了电学负载条件、结构特性参数等因素对多模态压电振动俘能器的影响规律。多模态压电振动俘能器在预期频率范围(1-10 Hz)内有三个谐振频率。当加速度激励幅值为0.015 g,俘能器加速度归一化的均方根电压可以达到366.7 V/g。(2)建立压电-电磁协同作用的振动俘能器的机电耦合模型并对其进行分析。根据对典型RCL振荡电路原理的分析,结合机械振动原理,建立典型压电振动俘能器外接电感负载的电路仿真模型,进而发展为将电路中的电感负载演变为电磁俘能器中的感应线圈,以此建立其机电耦合方程。分析耦合振动俘能器四种拓扑连接下的输出性能,验证了耦合振动俘能器中压电和电磁部分进行电学耦合时的优势。压电和电磁进行电学耦合时的输出电压比原有的模型中的压电的输出电压的两个峰值上分别提高了71.3%和35.67%。(3)提出一种新型的压电-电磁耦合振动俘能器并进行实验测试。将其与原样机的输出性能进行对比,发现新型俘能器的输出性能具有很大的提升。分析了新型俘能器的结构参数对其输出性能的影响,并在此基础上对新型俘能器的结构设计提出一些建议。

关键词：振动俘能器多模态振动压电和电磁耦合非线性振动

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