压电能量收集器是贴在悬臂梁桥上吗

复合式压电振动能量收集器的研究摘要:为解决无线传;端质量块采用若干块永磁铁,在磁铁垂直方向上放置一;电悬臂梁固定于电磁激振器;;
复合式压电振动能量收集器的研究摘
要: 为解决无线传感器网络和便携式电子产品的自供能问题,研究了基于电磁耦合的压电悬臂梁式振动能量收集器。理论分析表明,通过增加压电悬臂梁的所受外力,可以按平方关系提高其产生的发电量。即采用PZT4压电元件及铍青铜作为金属基板,以固定于基板末端的永磁铁作为质量块制作了基于电磁耦合的悬臂梁式压电振动能量收集器。实验表明,压电悬臂梁附加永磁铁后其最大输出电压增加了222%,压电悬臂梁在磁场强度分别为0 T与1 T的作用力下,电压值的增幅分别为0.38%和2.12%。关键词: 压电发电;振动能量收集器;电磁耦合;谐振频率0 引言随着无线传感器网络、可穿戴设备和便携式电子产品的应用日益广泛,这些能耗低、体积小的微小型装置面临的最大的挑战就是供能问题,体积大、质量大、寿命有限、需定期更换是现有化学电池供能的固有弊端,尤其是许多易燃易爆等危险场合不宜电池更换,同时也带来环境污染等不容忽视的问题,限制了目前发展迅速的MEMS产品、无线传感器网络和嵌入式系统[1,2]。因此,为解决化学电池电源更换难、不易集成的问题,从环境中收集能量转化为电能的技术已经成为国内外的研究热点[3,4]。由于振动能普遍存于生活环境中,相比于其他能量收集方式具有更广泛的应用范围,因此,通过振动能发电是目前研究与应用较多的一种环境能量收集方法。国内外研究中将环境振动能转换为电能有三种基本方法:压电式、电磁式和静电式[4]。因为压电式振动能量收集器具有结构简单、无污染、无电磁干扰、易于加工制作等优点而成为国内外研究的热点[4-6],环境振动驱动的压电能量收集器就是利用外界振动激励压电悬臂梁结构产生受迫振动,从而使压电元件在激振力作用下产生弯曲变形,在压电材料的正压电效应作用下将机械能转换为电能[7]。为了改善压电式振动能量收集装置发电性能,本文进一步探索通过电磁耦合效应改变压电悬臂梁的振动状态以提高发电能力的方法,希望能为压电振动能量收集器进一步的实用化作出贡献。1 基于电磁耦合的能量收集装置设计压电振动能量收集器的发电能力主要取决于悬臂梁的结构参数、压电振子、谐振频率和负载等,当振动频率接近于压电悬臂梁的谐振频率时,将使其发生共振,此时压电振子的变形量达到最大,振动能量收集器的输出电压也达到最大值。为了获得较大的压电振子变形量,通常在压电悬臂梁的末端固定一个适当的质量块,而同时还可以降低其谐振频率。本文中双晶片压电悬臂梁自由
端质量块采用若干块永磁铁,在磁铁垂直方向上放置一个电磁铁,悬臂梁自由端磁铁在振动过程中会受到来自通电电磁铁的磁力作用,通过均匀地改变电磁铁到悬臂梁自由端永磁铁处的磁通量密度,便可以得出电磁耦合效应对压电悬臂梁的电压输出影响,当压电悬臂梁受迫振动时,PZT片受到交替变化的拉应力与压应力,由于压电材料的正压电效应,将在PZT压电晶片上下表面产生电荷,收集所产生电荷经转换后即可获得能量输出。电磁耦合下的复合式压电振动能量收集器工作原理。2 理论分析当压电悬臂梁的自由端受外载荷F作用后,中间金属基板产生与外载荷成比例的弯曲变形,上下层压电陶瓷被拉伸或压缩,导致压电陶瓷表面产生电荷,上下层压电陶瓷变形量大小决定电荷量的多少。在外载荷下,当上层压电陶瓷片受拉、下层压电陶瓷片受压时,根据材料力学和压电本构方程可知,上层压电陶瓷的压电方程为:式中:α为金属基板厚度与悬臂梁总厚度之比;β为杨氏模量比,β=Em/Ep,Em为金属基板的杨氏模量,Ep为压电陶瓷的杨氏模量;k31为机电耦合系数。可见,压电陶瓷产生的电压与外载荷的平方成正比,因此通过增加压电悬臂梁所受的外力,就可以按平方关系提高其产生的发电量。当两块异极性永磁铁吸附在金属基板上使其固定于压电悬臂梁的自由端,其附加的质量便可以增大悬臂梁的弯曲变形,若在永磁铁下方布置一块较大电磁铁,并通过线性地改变电磁铁到永磁铁处的磁通量密度,压电悬臂梁结构中引入磁力改变原有的振动状态,从而可进一步改变复合式压电悬臂梁的发电量。引入永磁铁与电磁铁后压电悬臂梁的受力情况。压电悬臂梁加上永磁铁之后,悬臂梁整体质量变大,在振动过程中,相同频率下,附加永磁铁的压电悬臂梁振幅增大,悬臂梁内部应变和应力变化更加剧烈,谐振频率减小。在此基础上,若在永磁铁上施加一个磁力,悬臂梁的振幅将进一步增大,但由于磁力方向总是垂直悬臂梁向下,将会出现悬臂梁下偏角逐渐大于上偏角,。3 基于电磁耦合的能量收集装置制作压电陶瓷是机械能与电能转换的关键元件,故本文采用压电能量收集技术中普遍使用的PZT4压电陶瓷,由于铍青铜材料具有很高的强度、硬度、弹性极限、疲劳极限、高导电性、弹性滞后小等优点,故采用铍青铜作为压电悬臂梁的中间金属基板。通过环氧树脂导电胶将两片PZT4压电陶瓷片分别粘贴在长50 mm、宽15 mm、厚0.5 mm的铍青铜板上下对称的表面,将其一端固定便构成压电悬臂梁,为了测试试验方便,实验中将所构成的压
电悬臂梁固定于电磁激振器。为更好地固定质量块,通过磁性吸力将两块异极性磁铁吸附在压电悬臂梁的自由端,电磁铁沿垂直压电悬臂梁方向布置于永磁铁轴线正下方,并通过上下位置可调的升降台调节电磁铁与永磁铁间的距离。4 实验4.1 实验装置为了获得基于电磁耦合的复合式压电振动能量收集器的工作特性,需搭建实验平台进行试验测试,实验中所需的实验仪器包括用于使压电悬臂梁发生振动的电磁激振器、用于控制电磁激振器频率的信号发生器及将其信号放大以提供足够激励电压的功率放大器、用于电磁铁位置调整的升降机构、用于磁场强度测量的特斯拉计、用于显示压电振动能量收集器电压输出的数字示波器、电源等,实验结构。4.2 实验方法为了比较磁力作用对压电悬臂梁振动的影响,分别在有磁力和没有磁力作用下对同一悬臂梁的输出电压进行了比较分析,确定如下实验步骤:(1)在压电悬臂梁自由端没有加永磁铁的情况下,得出双晶片压电悬臂梁输出电压与激励频率之间的关系,确定压电悬臂梁的谐振频率范围;(2)在压电悬臂梁自由端固定永磁铁作为质量块,得出压电悬臂梁的谐振频率和输出电压变化情况;(3)测量通电情况下沿着电磁铁轴线方向上磁通量密度,记录磁通量密度值和距离,在相同距离情况下测量永磁铁的磁通量密度;(4)根据第三步的测量值,改变电磁铁与永磁铁之间的距离值,在电磁铁磁通量密度值均匀变化情况下,测量复合式压电悬臂梁系统电压输出值与激励频率之间的关系。4.3 实验结果图5为压电悬臂梁在附加永磁铁前后下输出电压随激励频率变化情况,图中显示压电悬臂梁在无永磁铁时的谐振频率为70 Hz左右,最大输出电压为6.48 V。压电悬臂梁附加永磁铁后,弯曲振动模态的谐振频率为30 Hz左右,最大输出电压20.8 V,谐振频率明显减小,最大输出电压也显著增大,增幅达222%。悬臂梁在无电磁铁和在磁场强度为0 T和1 T作用时的压电悬臂梁输出电压与频率的关系,对于B1=0 T的情况,电磁铁对永磁铁没有磁力作用,但由于永磁铁磁性大于电磁铁,永磁铁对电磁铁有一定的磁力作用,由牛顿第三定律的力相互作用性原理可知,即电磁铁此时对永磁铁有一定磁力作用。图6表明,复合式压电悬臂梁受电磁铁的吸力作用后,其谐振频率略有减小,最大输出电压有小幅度地增大,B1=0 T时,其谐振频率约为20 Hz,最大输出电压可达20.88 V;当B1=1 T时,其谐振频率约为13 Hz,最大输出电压可达21.24 V。二者与无电磁铁时的最高输出电压相比,电压值分别增加了0.08 V、0.44 V,增幅分别为0.38%和2.12%
。为进一步得出电磁铁磁场强度对复合式压电悬臂梁的影响,实验测试了线性变化磁场强度对压电悬臂梁输出性能影响,图7为压电悬臂梁受到线性变化的电磁铁磁通量密度时输出电压随激励频率的变化情况。可见,与没有受磁力作用下的压电悬臂梁相比,压电悬臂梁在线性变化的磁通量下,谐振频率继续发生偏移,但减小的幅度越来越小,开始时最大输出电压小幅度增大,但最后慢慢减小,其原因可能是压电悬臂梁在振动过程中上偏角变小,下偏角变大,上下压电陶瓷片的拉应力与压应力不同,故压电片的形变程度不同,引起上下压电陶瓷的输出电压发生变化。5 结论本文设计制作了基于电磁耦合的复合式压电振动能量收集器,并对其工作性能进行了试验测试。通过在压电悬臂梁上附加永磁铁改变其谐振频率,并利用电磁铁的磁力作用改变压电悬臂梁的受力以增加压电悬臂梁式能量收集器输出电压。实验结果表明,压电悬臂梁附加永磁铁后,其最大输出电压增加了222%,压电悬臂梁在电磁铁产生磁场强度分别为0 T与1 T的作用力下,与无电磁铁时的最高输出电压相比,电压值的增幅分别为0.38%和2.12%。另外,受磁力作用的压电悬臂梁随着电磁铁磁通量的线性变化,其谐振频率略有增大。研究表明,通过磁力的耦合作用不仅增大了压电振动能量收集器的输出电量,而且还可改变其谐振频率。
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压电悬臂梁振动能量收集器结构设计及实现_图文
导读:这在双层换能器的结构设计中具有很高的应用价值,RenBo[18]应用PMN-PT单晶制备了一种改进的铙钹结构的能量收集器件,并系统的分析了器件的振动模式和电学性能,尚不能被广泛应用于压电能量收集器中,压电能量收集器常用的两种模式为:33-模式(多层结构)和31-模式(双层结构),具有更高的能量密度,但是一般环境振动水平不能有效得使材料发生应变,在能量收集系统中31-模式应用的更为广泛,在外界激
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压电单晶材料PZN-PT和PMN-PT具有卓越的压电性能。其特定的切割和极化方法可提高单晶的压电系数,这在双层换能器的结构设计中具有很高的应用价值,其中主要使用的压电系数是d31和d32。Ren Bo[18]应用PMN-PT单晶制备了一种改进的铙钹结构的能量收集器件,并系统的分析了器件的振动模式和电学性能,在外部激励为0.55N,质量块为17g,频率为500Hz时,测得输出最大电压为45.7V,最大输出功率为14mW,此器件的功率密度为PZT的3倍。但由于大体积的压电单晶制备困难且价格较高,尚不能被广泛应用于压电能量收集器中。
1.2.1.2 机电耦合工作模式
压电能量收集器常用的两种模式为:33-模式(多层结构)和31-模式(双层结构),分别如图1-1(a)和(b)所示,在33-模式中,外加应力的方向和产生的电压方向一致,在31-模式中,外加应力为轴向,而产生的电压与其垂直。众所周知,压电材料的d33要比d31大的多,也就是说33-模式的机电耦合系数要高于31-模式的耦合系数,具有更高的能量密度,但是一般环境振动水平不能有效得使材料发生应变。所以,在能量收集系统中31-模式应用的更为广泛。然而在不同的应用场合,两种机电耦合模式各有优势。Baker等[19]给出了具体的阐述,在外界激励较小和振动幅度较低的场合,典型31-模式的悬臂梁结构显示出了较高的效率;而在相对较强的激励下,33-模式的压电结构更为可靠,且输出更大的功率。
(a) 33-振动模式
(b) 31-振动模式
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1.2.1.3 压电结构研究
在不同的应用场合,可以使用不同种类的压电发电器件进行能量收集,主要包括:压电单晶片结构,压电双晶片结构,叠层结构,膜结构和螺旋弹簧结构等。每种结构都有其各自的优点和设计的局限性。因此,根据不同的应用场合,选择不同的压电振子结构。通常,利用谐振实现机械能向电能的转换,系统一般工作在几百赫兹以下。Cho等[20]制作了压电单晶片能量收集器,研究结果表明,机电耦合系数与残余应力、基板和压电片厚度及电机覆盖面积等有关,且机电耦合系数最大时,电极覆盖面积为42%。Roundy和Wright分析并开发了一种基于双层弯曲结构的压电发电器,并将其作为发电器优化设计的基础[21]。Kim等[22]设计了一种新型的Cymbal型压电能量收集器,在压电圆片两侧黏结两个相同的金属帽,金属帽的作用是使得压电片上的受力分布更为均匀,实验结果证明,Cymbal压电能量收集器可承受较大负载的激励,使得收集能量更高。
1.2.1.4 共振频率调节
当器件频率和驱动信号的频率一致的时候,压电能量收集器的输出能量达到最大。然而,如果驱动信号的频率偏离谐振频率5%以上,收集能量迅速减小[23]。由于器件制造的误差以及振源频率的改变,频率匹配很难实现。因此,使单个器件在一段振动频率范围内有限工作是有利的。Roundy等[24]建议使用多质量块以及多模式的谐振器拓展压电能量收集器的带宽。此外,Challa等[25]使用磁力调节技术开发了一种谐振频率可调的能量收集器件。Wu等[26]开发了一种谐振频率可调的悬臂梁式能量收集器,该器件利用可变电容调节悬臂梁的增益曲线,使其与外加振动信号保持频率的实时匹配。Twiefel等[27]也提出了一种模型,用于实现与外部激励信号的频率匹配。
1.2.2 能量收集电路优化
1.2.1节主要是对压电能量收集器的收集结构进行了综述,然而在大多数情况下,由于电信号的输出过小,这些器件不能直接为电子元件供电。因此,能量收集
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和存储是开发自供电系统的关键。压电振动能量收集器的输出为交流电压,因此首先要考虑AC-DC整流器的设计。最基本的是利用PN结二极管作为桥式整流器件,这种结构比较简单。但是,在开始导电前,所有的硅二极管都需要克服0.6V-0.7V的直流电压差。这种正向压降在导电过程中会引起功耗的损失,因此这种整流器件的效率相对较低。锗二极管压降较低,为0.3V,但是当压电悬臂梁结构的输出功率仅为几百微瓦的数量级时,这个数值仍然比较大。为了提高效率,可以用同步整流器来代替肖特基二级管。这里,用MOSFET的体二极管来代替分离的PN结二极管。当体二极管开始导电时,晶体管就开始导电了。由于在导电过程中体二极管的压降可以忽略,因此功耗损失较低,效率较高。Sodano等[28-29]研究了不同的压电能量收集器以及利用电容或者充电电池进行能量存储的方法。Ottman等[30]开发了一种高效电路,用于存储电荷以及为负载供电,结果表明在强信号激励下,功率输出可以上升400%。Badel等[31]开发了一种新型功率流优化方法,用于提高转换能量,即电感式同步开关收集技术,相比于标准技术,这种方法使得收集的电能提高到900%。
1.2.3 提高能量收集器性能的方法
提高能量收集器的方法除了前文介绍的优化能量收集系统结构和开发存储产生电荷的高效电路外,还可以从多模式能量收集、磁电复合、自调谐、频率泵浦、宽带换能器等方面进行优化,下面将分别给出具体的阐述。
为了从环境中有效的收集能量,提出多模式能量收集的概念。提高系统的性能可从下面几方面入手:1、选择两种或者多种能量源收集能量,如振动能、风能、太阳能等;2、在同一系统中,集成两种不同的能量收集方式起到相互补充的作用。比如说将电磁和压电能量收集器相结合,则在恒定的加速度下,低频时,电磁输出功率较高;高频时,压电输出功率要高很多,这样可以在宽频工作条件下,从同一器件获得很大的输出功率。
磁电复合物在同一材料中包含两相物质,可以将磁能转化成应力,同时提高振动能量收集系统的效率。近期,研究的焦点集中在利用压电和磁致伸缩材料制备的叠层磁电复合材料[32]。其中,Ryu等[33]由弛豫型压电晶体PMN-PT和巨磁致伸缩材
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料制备的叠层复合物,具有较高的磁电耦合系数。
衡量收集效率的因素之一是,当输入信号频率和压电能量收集器谐振频率不一致时收集功率的大小。实现自协调的能量收集器,可在任意实际振动环境下实现输出功率的优化。一种常用的方法是使用并联元件,比如通过并联电容改变梁的谐振频率;另一种方法是改变其级联方式,即通过有源开关改变串联或者并联换能器的数量,开关通过比较某一频率段内的功率大小而调节其连接方式;还有一种方法是利用非线性压电材料,外加电压通过改变非线性压电材料的硬度进而影响谐振频率。在压电能量收集器中,通过改变偏压和应力实现改变工作频率。
提高压电能量收集器的收集功率的另一种方法是在相同的时间内产生更多的振动。即在输出信号到达压电能量收集器之前,通过放大振源的频率来提高器件的收集效率。
提高压电能量收集器效率的一种有效办法是使收集器从多个振动信号收集功率。当前,提高带宽是一种行之有效的办法。传统的压电能量收集器由单个压电陶瓷悬臂梁构成,当工作频率稍微偏离梁的谐振点时,工作频率显著下降,一些简单的结构可用于实现宽带,但是是以降低输出功率为代价的。目前研究的焦点是开发谐振频率相互接近的的多谐换能结构。
1.3 本文主要研究内容
本文主要基于压电材料的正压电效应,制作了不同形状和结构的压电能量收集器。其中主要涉及不同形状压电片和不同形状基板的设计及实现,不同结构压电振子的设计及实现,集ANSYS理论仿真与实际器件制作为一体。本论文的研究内容和具体安排如下:
第一章主要介绍了压电能量收集器的研究背景与意义,从压电能量收集系统结构、能量收集电路,结合提高能量收集器件性能的方法对其研究现状与发展进行阐述。
第二章对基于单层压电陶瓷的能量收集器进行设计和仿真分析,主要包括不同形状压电片的设计,不同形状基板的设计以及最佳模型的尺寸优化。
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基于压电悬臂梁的环境振动能量获取方法的初步的分析
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正在加载中,请稍后...悬臂梁式压电能量收集器的建模与分析--《南昌工程学院学报》2016年04期
悬臂梁式压电能量收集器的建模与分析
【摘要】:为了更加精确的表达悬臂梁式压电能量收集器的输出特性并优化其结构参数,设计一种分布参数建模法,首先根据Rayleigh-Ritz法和Euler-Bernoulli梁理论,建立悬臂梁式压电能量收集器的分布参数模型的偏微分方程;基于压电效应,通过高斯定理与基尔霍夫定律将机械部分与电路部分耦合起来,建立起压电能量收集器的分布参数模型,求出了机械振动响应和电学响应;基于分布参数模型,对压电能量收集器施加简谐激励,利用MATLAB计算末端质量块质量、结构尺寸对输出能量的影响,并进行负载阻抗匹配;最后通过实验来验证末端质量块对输出能量的影响以及分布参数模型的正确性。
【作者单位】:
【关键词】:
【分类号】:TM619【正文快照】:
在一些高温、高湿度和腐蚀性的环境中,传感器需要特殊的结构保护,要提高传感器的应用可靠性,最好要避免电线接触,这意味着传感器不方便接入外界电源。利用电池给传感器供电的缺点在于电池的寿命有限,而且电池无法耐受高温。另外,在恶劣环境下的电池更换非常耗费人力、物力。航
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