基于摆锤与辅助梁间接激励压电梁的多向振动能量捕获器研究
发布时间：2021-11-18 05:42
微功率无线传感器由于工作环境的复杂性,往往通过化学电池进行供电。然而化学电池工作寿命短,在恶劣环境下的更换与维护不便,且极易造成污染,因此,用于捕获环境振动能的压电振动能量捕获器作为未来可期的替代供能单元受到了广泛研究。压电多向振动能量捕获技术是压电振动能量捕获领域的一个重要研究方向,其目的在于使压电振动能量捕获器具有响应空间多个方向振动的能力。以往的压电多向振动能量捕获器大都存在局限性:（1）利用多个压电振子实现多向振动,体积能量密度较低;（2）利用复杂机构实现多向振动,制作困难;（3）采用端部带质量的悬臂梁结构发电,双向变形可靠性低。针对上述存在的问题,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”,提出了一种基于摆锤与辅助梁间接激励压电梁的多向振动能量捕获器,并从理论和试验两方面对其响应特性进行了研究。所完成的主要研究内容包括:1.提出了通过摆锤与辅助梁间接激励压电梁实现能量捕获器多向振动的新方法。摆锤与辅助梁构成激励器,当能量捕获器受到空间某一方向的振动激励时,激励器在惯性力和惯性扭矩的作用下发生纵振和扭摆变形,迫使辅助梁上下两侧的压电梁弯曲变...
【文章来源】：浙江师范大学浙江省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
重心可调式振动能量捕获器Figure1.1Barycentricadjustablevibration
第1章绪论21.2宽频带能量捕获技术宽频带能量捕获技术的提出旨在提高能量捕获器的环境适应能力，使其工作频带尽可能涵盖激励频率范围，其主要包含两种形式：①谐振频率可调，其中又可分为被动调谐与主动调谐，主动调谐就是能量捕获器针对环境激励自动调节固有频率与之相匹配；被动调谐则需要人为对环境频率做评估后手动调节能量捕获器的固有频率；②谐振频率不可调但频域上具有更宽的有效带宽。1.2.1谐振频率可调式振动能量捕获器振动能量捕获器谐振频率的调谐可通过调节质量、刚度与阻尼实现，具体途径包括改变重心、施加机械力、磁力调谐与电控调谐等。1.2.1.1被动调谐式振动能量捕获器2005年，Cornwell等人通过在悬臂梁末端添加质量，将能量捕获器的谐振频率由40.7Hz降低至38.2Hz[12]。2008年，Wu等人提出了一种如图1.1所示的质量重心可调的悬臂梁式压电振动能量捕获器[13]。研究发现，随着重心位置的改变，能量捕获器的谐振频率在130-180Hz的范围内变化。2010年，Kim等人对带有附加质量的悬臂梁结构建立了完整的模态振型函数[14]，系统地研究了附加质量的形状、大孝位置等参数对能量捕获器谐振频率与输出性能的影响；2019年，Abdolreza等人也建立了解析模型研究附加质量重心与转动惯量对能量捕获器谐振频率的影响规律[15]。图1.1重心可调式振动能量捕获器Figure1.1Barycentricadjustablevibrationenergycatcher图1.2基于张紧PVDF薄膜调频的能量捕获器Figure1.2FrequencytunableenergycatcherbasedontensioningPVDFfilm
第1章绪论3通过质量进行调频手段有限，故更多的研究将目光投在通过改变系统刚度实现调频。2008年，Morris提出了一种如图1.2所示的通过预紧螺栓张紧PVDF薄膜改变其刚度继而实现调频的振动能量捕获器[16]。试验结果表明能量捕获器谐振频率的调节范围为80-235Hz，遗憾的是试验并未获得一个理想的发电效果。2012年，Niri与Salamone提出了一种如图1.3所示的端部连接有两根斜弹簧的单向调频振动能量捕获器[17]。该结构可等效为在悬臂梁端部串联弹簧的同时施加轴向力，弹簧系数与轴向力随斜弹簧与悬臂梁之间夹角的变化而变化。研究表明，当夹角从9.5°增加至25.5°时，能量捕获器的固有频率对应从6Hz升高至61.8Hz。2013年，Eichhorn等人提出了一种如图1.4所示的由主梁与辅助梁构成的双向调频振动能量捕获器[18]。通过正向或反向旋转调节螺栓可实现辅助梁对主梁施加压、拉应力从而降低或升高能量捕获器的谐振频率。试验结果表明，当主梁承受压应力时，能量捕获器的谐振频率调节范围为380-292Hz；承受拉应力时，调节范围为440-460Hz。2018年，Pydah和Batra提出了一种如图1.5所示的折叠固支梁调频式振动能量捕获器[19]。研究发现，当为单次折叠梁结构时（图1.6），折叠角α在从0°增加至30°，固支梁的前三阶谐振频率分别升高175%、34%和58%。图1.3单向调频振动能量捕获器Figure1.3Onewayfrequencytunablevibrationenergycatcher图1.4双向调频振动能量捕获器Figure1.4Bothwayfrequencytunablevibrationenergycatcher图1.5折叠固支梁调频式振动能量捕获器Figure1.5Beam-Basedvibrationenergycatchertunablethroughfolding图1.6单次折叠结构Figure1.6Singlefoldstructure
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于压电简支梁拉伸调频的旋磁发电机[J]. 阚君武,何恒钱,王淑云,廖卫林,张忠华,陈松,吴亚奇. 中国机械工程. 2019(23)
[2]Energy harvester array using piezoelectric circular diaphragm for rail vibration[J]. Wei Wang,Rong-Jin Huang,Chuan-Jun Huang,Lai-Feng Li. Acta Mechanica Sinica. 2014(06)
[3]自调谐宽频带压电振动发电机的改进[J]. 朱莉娅,陈仁文,刘祥建,隆志远. 南京航空航天大学学报. 2012(03)
硕士论文
[1]基于分形结构的压电陶瓷振动换能器研究[D]. 蒋旭.南京邮电大学 2018
本文编号：3502321
【文章来源】：浙江师范大学浙江省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
重心可调式振动能量捕获器Figure1.1Barycentricadjustablevibration
第1章绪论21.2宽频带能量捕获技术宽频带能量捕获技术的提出旨在提高能量捕获器的环境适应能力，使其工作频带尽可能涵盖激励频率范围，其主要包含两种形式：①谐振频率可调，其中又可分为被动调谐与主动调谐，主动调谐就是能量捕获器针对环境激励自动调节固有频率与之相匹配；被动调谐则需要人为对环境频率做评估后手动调节能量捕获器的固有频率；②谐振频率不可调但频域上具有更宽的有效带宽。1.2.1谐振频率可调式振动能量捕获器振动能量捕获器谐振频率的调谐可通过调节质量、刚度与阻尼实现，具体途径包括改变重心、施加机械力、磁力调谐与电控调谐等。1.2.1.1被动调谐式振动能量捕获器2005年，Cornwell等人通过在悬臂梁末端添加质量，将能量捕获器的谐振频率由40.7Hz降低至38.2Hz[12]。2008年，Wu等人提出了一种如图1.1所示的质量重心可调的悬臂梁式压电振动能量捕获器[13]。研究发现，随着重心位置的改变，能量捕获器的谐振频率在130-180Hz的范围内变化。2010年，Kim等人对带有附加质量的悬臂梁结构建立了完整的模态振型函数[14]，系统地研究了附加质量的形状、大孝位置等参数对能量捕获器谐振频率与输出性能的影响；2019年，Abdolreza等人也建立了解析模型研究附加质量重心与转动惯量对能量捕获器谐振频率的影响规律[15]。图1.1重心可调式振动能量捕获器Figure1.1Barycentricadjustablevibrationenergycatcher图1.2基于张紧PVDF薄膜调频的能量捕获器Figure1.2FrequencytunableenergycatcherbasedontensioningPVDFfilm
第1章绪论3通过质量进行调频手段有限，故更多的研究将目光投在通过改变系统刚度实现调频。2008年，Morris提出了一种如图1.2所示的通过预紧螺栓张紧PVDF薄膜改变其刚度继而实现调频的振动能量捕获器[16]。试验结果表明能量捕获器谐振频率的调节范围为80-235Hz，遗憾的是试验并未获得一个理想的发电效果。2012年，Niri与Salamone提出了一种如图1.3所示的端部连接有两根斜弹簧的单向调频振动能量捕获器[17]。该结构可等效为在悬臂梁端部串联弹簧的同时施加轴向力，弹簧系数与轴向力随斜弹簧与悬臂梁之间夹角的变化而变化。研究表明，当夹角从9.5°增加至25.5°时，能量捕获器的固有频率对应从6Hz升高至61.8Hz。2013年，Eichhorn等人提出了一种如图1.4所示的由主梁与辅助梁构成的双向调频振动能量捕获器[18]。通过正向或反向旋转调节螺栓可实现辅助梁对主梁施加压、拉应力从而降低或升高能量捕获器的谐振频率。试验结果表明，当主梁承受压应力时，能量捕获器的谐振频率调节范围为380-292Hz；承受拉应力时，调节范围为440-460Hz。2018年，Pydah和Batra提出了一种如图1.5所示的折叠固支梁调频式振动能量捕获器[19]。研究发现，当为单次折叠梁结构时（图1.6），折叠角α在从0°增加至30°，固支梁的前三阶谐振频率分别升高175%、34%和58%。图1.3单向调频振动能量捕获器Figure1.3Onewayfrequencytunablevibrationenergycatcher图1.4双向调频振动能量捕获器Figure1.4Bothwayfrequencytunablevibrationenergycatcher图1.5折叠固支梁调频式振动能量捕获器Figure1.5Beam-Basedvibrationenergycatchertunablethroughfolding图1.6单次折叠结构Figure1.6Singlefoldstructure
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于压电简支梁拉伸调频的旋磁发电机[J]. 阚君武,何恒钱,王淑云,廖卫林,张忠华,陈松,吴亚奇. 中国机械工程. 2019(23)
[2]Energy harvester array using piezoelectric circular diaphragm for rail vibration[J]. Wei Wang,Rong-Jin Huang,Chuan-Jun Huang,Lai-Feng Li. Acta Mechanica Sinica. 2014(06)
[3]自调谐宽频带压电振动发电机的改进[J]. 朱莉娅,陈仁文,刘祥建,隆志远. 南京航空航天大学学报. 2012(03)
硕士论文
[1]基于分形结构的压电陶瓷振动换能器研究[D]. 蒋旭.南京邮电大学 2018
本文编号：3502321
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