文摘

这项研究报告的影响影响vibration-based模式压电发电机的参数。首先,评估影响参数的影响,提出了质量和冲击速度。发现压电装置的输出电压影响模式是直接与速度成正比,而输出功率等于一个二次函数相同的变量。同样的动力影响,速度的影响产生更高的峰值输出相比质量占主导地位。第二,vibration-based影响模式讨论了压电发电机。实验结果表明,一个更广泛的工作频率带宽的输出功率可以实现预加载配置。然而,关于大小,由于高速度的影响,配置差距小费和压电设备产生更高的输出。

1。介绍

机械振动能量收集的研究进展一直广泛报道了几十年。能源从这些收获系统预计将用于低功耗设备,如发光二极管、轮胎压力监测系统,和许多其他人。这项研究的目标是提出一种新的设计和评估的因素影响输出功率的一代。在一般情况下,机械振动转化为电能使用三种类型的设备:压电式、静电和电磁设备。这两个分析(1和实验分析2- - - - - -5)已经表明,有各种因素影响这些设备的性能。每个因素的评价是非常主观的,强烈依赖于设备,环境,和振动的类型。

在使用压电振动能量收集装置的情况下,线性振动运动,发电的基本操作可分为两种模式:弯曲模式和影响模式。在弯曲模式使用压电悬臂梁发电,一端的设备被连接到该振动源和另一端自由振动源的振动。提高压电发电机的输出功率在弯曲模式下,设备的形状是至关重要的,因为它已经显示设备的某些形状比其他人更有效(6,7]。

另一个重要因素的最佳输出阻抗匹配(8,9]。然而,阻抗匹配是依赖结构的共振频率,这意味着低谐振频率结构,大量匹配阻抗是必需的。这些都是重要的因素被认为是在设计vibration-based弯曲模式压电发电机。

对于vibration-based影响发电模式,由于振动压电设备不变形。变形是由于影响。在报道10),结构自由移动的钢球反复击中压电发电。在设计过程的开始,体重下降实验进行。这个实验发现的输出功率相对较高而指定设备的输出功率。一个建议关于优化输出功率,钢球必须大型和重型。另一个设计的影响模式压电发电机是报道11]。影响模式组成的发电机振动梁压电设备顶部和两个额外的压电悬臂梁放置在每一方的提出了振动梁。的振动梁长矩形尖端质量是固定的。当梁的振动时,它对压电梁,由于影响,电就产生了。设备的实现目标是收获的低频振动,如人类motion-related运动。优化过程是基于阻抗匹配技术。另一个分析和讨论弯曲的组合和影响模式发电机报道(12]。据报道,电压而言,压电弯曲模式标本产生更高的价值比的影响模式压电标本,尽管如何优化输出为指定的设备不是讨论。

其他研究报告的影响压电陶瓷的尺寸(13)和振动的类型(14压电发电模式)的影响。然而,机械冲击的影响参数对影响模式压电陶瓷发电研究人员讨论。因此,本研究提出了一种分析和试验研究如何优化影响模式压电发电机的输出功率通过分析密切影响输出功率的两个参数:速度和质量的影响。确定这两个参数的输出功率之间的关系,实验进行了体重下降。物体的重量变化和物体的高度下降,冲击速度有关,被认为是。结果被用于分析的性能迫使vibration-based影响模式压电发电机在收获振动能量。

2。的压电发电装置的影响模式

2.1。在影响模式:压电效应的影响变量

压电发电设备通过变形的结构。变形的原因可以振动或直接对结构的影响。影响模式的压电发电装置的特点对各种影响参数可以通过执行体重下降的实验研究。从理论上讲,当一个对象的重量从预定的高度下降,其冲击力是由以下几点: 在哪里是动能,是穿透距离,是速度的影响。从理论上讲,每个周期的最大能量输出的压电设备操作33-mode是由(2)。从方程,可以生成的电能的压电装置的平方正比冲击力: 在这个方程,,,的宽度、长度和厚度的压电装置,分别和的压电电荷(应变)和电压(压力)常数,分别和力是作用于设备。用(1)(2)收益率(3),这表明,输出能量成正比和和渗透的距离成反比。在落锤实验中,两个重要的影响变量是影响物体的重量和速度。假设物体自由落体和它的高度下降,可以用方程计算速度的影响,在那里重力加速度。

2.2。实验和讨论

体重下降实验设置如图1。压电器件的规格表中列出1。在这个实验中使用的钢球直径9.52毫米和12.7毫米,重量的4 g和8 g,分别和钢球的材料是碳。两种类型的支持基地的压电设备使用:平板底座和基础有一个洞。两种类型的支持基地用于评估输出功率对刚度的变化。孔的直径30毫米的基地。

的实验方法包括一个钢球在自由落体从预定的高度,这样它的压电装置。压电发电机的输出与负载电阻1 kΩ10 kΩ,20 kΩ。电压是数据记录器记录的采样时间10μ年代。

实验是由不同高度的钢球从10毫米到70毫米。钢珠掉了时,压电装置产生的电压脉冲,如图2。进行评估,只有第一个脉冲被认为是和比较。

图3显示的情节瞬时峰值输出电压和速度的影响当4 g钢球和平板底座。无论负载,瞬时峰值电压成正比的速度。

与此同时,输出功率的负载电阻用。很明显,权力正比于电压的平方。作为结果,如图4、功率等于速度的二次函数。在这里,我们可以在数据与实验结果3和4(1)和(2)。所定义的(1),冲击力也正比于速度的平方和结果的力量等于力的二次函数的影响。这是由实验结果图4。此外,能源(2)是权力和时间的乘积。因此,能量可以产生的压电设备必须等于二次函数的影响力量。

接下来,在三个负载电阻,由于阻抗匹配,输出功率的10 kΩ电阻器与最高平均输出功率与负载电阻。

的比较和观察的效果影响对象的重量在压电发电机的输出功率,4 g钢球换成了一个8 g钢球。如图5,同样的速度,较重的物体产生的输出功率输出高于轻对象。同样的速度,较重的物体具有更高的冲击力比轻的对象,所定义的(1)。因此,较重的物体产生更多的电力。然而,当看着球的势头,如图6为平等的势头,轻对象的输出功率的两倍重的对象。

因此,对于平等的动力,获得更高的平均输出功率在使用一个对象与冲击速度较高,而不是一个较重的物体。

接下来,我们评估输出功率之间的关系和压电装置的刚度。前面的实验使用压电设备设置在平坦的铁基,这间接增加设备的刚度结构作为一个整体。反过来,增量增加刚度退化的发达在压电设备上的压力,从而导致更低的输出功率。因此,优化设备的输出功率,基地与圆孔是用来替代扁铁基地。图7显示了基地。孔的直径30毫米。压电装置被用适当的调整固定在底座上的压电装置是完全放在洞里。

体重下降实验相同,不同钢球的身高和体重。输出功率比较如图8。在这个图,绘制四个数据集。很明显,当压电设备被用孔固定在底座上,其平均输出功率也增加了。9.37的最高动力通用/ s,输出功率的差异大于100兆瓦。因此,增加整个结构的刚度的压电设备减少了设备效率。因此,必须考虑设备结构的刚度来提高效率。

3所示。设备配置

本节讨论的设计和分析vibration-based模式压电发电机的影响。提出了发电机的配置包括三个主要结构:基础梁,可调整垫片,证据质量的振动梁附加到梁的自由端。另一个重要组件连接到振动梁的自由端有一个金属的提示。发电机的原理图所示9和规范结构表中列出2。基础梁的厚度厚设置为10倍比减少反共振振动梁。

发电机的工作原理是从影响压电发电装置。每一个影响压电设备负载电阻产生的电压脉冲。压电装置连着基础梁与环氧树脂和洞的横梁上,正如在前一节中所讨论的,可以优化发电维护的原始刚度压电装置。证明质量作为振动梁挠度助推器。调整的重量证明质量也进行了共振频率变化。此外,加强区域的配置,可调间距器被用来单独的振动梁、基础梁。压电装置的总厚度是0.41毫米,顶端的高度是3毫米。基于一个简单的计算,3毫米厚度间隔创建没有小费和压电设备之间的差距,从而允许一个预加载条件的压电装置。

增加垫片的厚度为4毫米应该产生一个提示和压电装置之间的差距。然而,证据质量对振动梁的末端加压,最终导致配置相同的情况3毫米。虽然配置导致压电设备上的一个预加载条件,负荷的强度,3毫米的配置将更高。因此,在比较这两个配置,3毫米的配置需要一个相对较高的速度和频率的振动提示前可以振动和冲击压电装置。我们的分析表明,预压条件的评价从低于100赫兹的频率振动发电可以实现使用垫片厚度为4毫米。一个额外的垫片厚度1毫米创建一个配置差距小费和压电装置。实际测量表明,大约是0.604毫米的差距。重要的是,上述分析使用证明26克的质量。

3.1。分段线性系统的模型

的输出功率可以生成高度依赖的数量影响了小费。一般来说,电压脉冲数成正比的数量的影响。因此,增加振动器的频率将增加1秒的影响。然而,冲击速度是主要关于脉冲的大小。正如在前一节中所讨论的,输出的峰值功率正比于速度的平方。因此,输出发电一段时间预计将依赖于振动的频率和速度的影响。

振动梁的运动的一个评价是下面使用发电机的分段线性模型,如图10。唯一的一部分,将振动系统的质量。这个系统代表了振动梁质量证明并与弹簧常数压电装置和阻尼常数。如前所述,防止基础梁偏转并减少电流谐振,基础梁的厚度将10倍大于振动梁的厚度。行为的影响将会是类似于一个非弹性碰撞振动梁的有效质量是微不足道的15]。在这种情况下,作为小费的压电装置,它将坚持设备直到他们——成为零,然后再回方向之前分离的设备。提示进行设备、阻尼常数和弹簧常数和,分别。接下来,振动梁自由振动,直到达到最大位移和接触到设备了。系统可以用微分方程给出了以下几点: 在哪里外部激励信号和吗质量的位移。在这项研究中,,在那里激励振幅和吗是应用振动的频率。详细的报告这组方程的数值解(16]。

4所示。实验结果和讨论

4.1。实验装置和条件

实验设置如图11。振动器的输入信号和输出监视并记录运行DSP-based控制器使用电脑软件。采样时间设置为20μ年代。输入信号电压是固定的,而振动频率是不同的。变化引起的加速度振动信号频率不同。我们的分析评估发电频率范围100 Hz以下。

根据体重下降实验结果在前一节中,生成最优输出功率与负载电阻10 kΩ。因此,在本实验评估,相同的电阻作为负载。评估证据的重量的影响质量的输出,两个证明群众被使用:26克和40克。基于系统辨识实验结果证明质量26 g使用时,发电机的共振频率没有基础梁24赫兹。当使用40 g的证据质量,频率下降到19赫兹。发电机4毫米和5毫米垫片厚度是构造和检查。两种构型之间的差异在前一节中描述。

4.2。结果

振动梁的振动和提示的压电装置,产生的电压脉冲信号在负载电阻。每秒脉冲的数量取决于振动的频率;为35赫兹振动,35电压脉冲生成。一个示例的输出电压如图12。图12(一个)显示一个输入时的输出电压35赫兹是用来激发的振动发电机。

图12(b)显示了一个脉冲的输出功率的阴谋。两个部分可以观察到一个脉冲的影响。变形的影响引发的设备是生产的第一部分输出脉冲。提示和设备分开,设备振动之前一段时间停止,生成另一个输出脉冲,如情节所示。输出脉冲似乎持续大约5 ms每影响。

发电机的频率响应如图13。图显示了平均输出功率为5 ms。我们开始讨论通过关注情节预加载条件下的配置。在预压情况下,垫片的厚度是4毫米,操作频率带宽是更广泛的比配置5毫米垫片厚度无论质量的重量证明。操作频率带宽的配置与证据质量大约是40 Hz。比较这两个情节,配置的大小与26 g质量表现出峰值输出当激励频率大约是39赫兹。然而,对于配置40 g的证据质量,激励频率达到48赫兹。发电机的输出功率的大小与较轻的质量是相对高于重质量。正如前面讨论的,输出功率的大小正比于速度的平方的影响。因此,对于较轻的质量证明,梁预计将有更高速度的影响。 The significant difference in the magnitude is due to this factor. For a lighter proof mass, the tip begins to hit the device and generate output at lower frequencies. Due to the weight, the power generator with the heavy proof mass only begins to hit the device when the frequency of vibration is increased to approximately 35 Hz. Thus, for the preloading condition, shifting the operating frequency of the power generator to a high frequency bandwidth can be simply achieved by increasing the proof mass weight. However, increasing the weight of the proof mass subsequently decreases the output magnitude.

发电机的技巧和设备之间的差距,操作频率带宽减少大约25%的预加载条件下的配置。之间的差距0.604毫米技巧和设备,振动梁的末端的运动必须大于发电。考虑振动器的振动,提高了发电机的振动频率超出了共振频率降低的加速度。因此,当频率达到33赫兹26或27赫兹g和40 g配置,分别提示的运动变得小于0.604毫米。从相同的情节,操作频率的配置与轻证据质量略高于重证据的配置质量。这一特点不同于预加载的配置条件,正如前面所讨论的。

此外,结果表明,发电机的输出功率的配置很不稳定。我们之前的假设是,通过设置基础梁比振动梁10倍厚,并联谐振的发生响应将会减少。然而,当观察到的频率响应,反共振的共振是分开的,尤其是对配置预加载条件下。为了解释这一现象,我们必须分析发电机的结构的运动。

正如前面所讨论的那样,该发电机的基本结构由振动梁、基础梁、耦合的一端。应用于结构振动时,基础梁是没有偏转理想假设振动。此外,振动梁1毫米的厚度,证明质量附加振动,在自由端转移。变化的频率会有所不同振幅两梁的自由端。因此,随后小变化频率变化的时间提示的压电设备梁固定在底座上。影响严重的速度随这些变化,导致不稳定的输出功率在操作频率。共振输出时预计将产生振动梁的压电器件的峰值速度穿过平衡点。此外,对于并联谐振输出,在低速度下产生振动的影响。

5。结论

分析和实验研究的机械冲击的影响参数对压电发电的影响模式。第一部分中给出的实验数据的研究表明,影响部队和随后的速度影响输出功率和能量更大程度比质量。此外,实验证明,最优输出功率可以实现设备的刚度是否保持在最初的值,这样效率不下降。在本研究的第二部分,分析vibration-based模式影响发电机的输出功率。两种构型进行了分析。虽然预配置的工作频率是更广泛的比配置的差距,由于相对运动的两束,输出功率受共振和反共振现象。发电机结构的进一步评估在未来应该执行这样一个稳定的输出功率和更广泛的操作可以实现频率带宽。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。