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低频环境中的冲击压电振动元件能量收集器的优点是什么?

低频环境中的冲击压电振动元件能量收集器的优点是什么?

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  • 发布时间:2022-07-26 16:28
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摘要:压电振动元件技术已成为一种发展迅速、前景广阔的能量收集技术。然而,在大多数环境中,传统压电设备的谐振频率过高,无法与低频振源匹配。上频压电能量采集结构具有工作频带宽、在低频振动环境中能量采集效率高的优点。压电振动元件采集器属于一种高频压电能量采集结构。其机理简单,上频效应明显,可以显著提高能量采集效率。

低频环境中的冲击压电振动元件能量收集器的优点是什么?

【概要描述】压电振动元件技术已成为一种发展迅速、前景广阔的能量收集技术。然而,在大多数环境中,传统压电设备的谐振频率过高,无法与低频振源匹配。上频压电能量采集结构具有工作频带宽、在低频振动环境中能量采集效率高的优点。压电振动元件采集器属于一种高频压电能量采集结构。其机理简单,上频效应明显,可以显著提高能量采集效率。

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随着微电子设备的快速发展,非常规功率技术得到了越来越多的应用。传统能源电池存在寿命有限、能效低和储能能力有限的缺陷。能量收集技术从环境中收集能量并加以利用,可以有效地克服这些缺点,在传感器节点、植入式健康跟踪器和偏远地区的生物医学设备中具有很大的应用潜力。与太阳能和热能收集相比,压电所需的大部分振动来自环境中的随机振动,并且不太依赖于随机和不可预测的环境。因此,压电振动元件技术已成为一种发展迅速、前景广阔的能量收集技术。然而,在大多数环境中,传统压电设备的谐振频率过高,无法与低频振源匹配。上频压电能量采集结构具有工作频带宽、在低频振动环境中能量采集效率高的优点。压电振动元件采集器属于一种高频压电能量采集结构。其机理简单,上频效应明显,可以显著提高能量采集效率。

研究人员提出的利用齿轮齿条传动实现上变频的压电能量收集器的三维结构,该采集器由支持部分、上频部分和采集部分组成。支撑部分包括框架、立柱和底座;频率提升部分包括齿轮齿条传动部分、齿轮拨杆轴和圆柱弹簧;收集部分包括压电梁、压电收集部分和盖板。将PZT压电陶瓷粘接到基板的上表面以形成压电梁。

研究人员设计的采集系统的能量传输是通过低频桨轴与高频振动梁之间的碰撞来实现的。它描述了桨梁和压电梁在碰撞循环中的运动过程,分为碰撞阶段和分离阶段。在碰撞阶段,当盖板受到外部正弦激励时,激励通过齿条传动等比传递给桨叶轴;当轴的可选角度大于预设阈值时,桨叶与压电梁碰撞,压电梁变形,由于正压电效应,导致上下电极之间存在电位差。在碰撞过程中,压电梁的位移小于桨叶的位移。当桨叶向上移动时,它将受到压电梁的限制,压电梁将逐渐增加整体刚度并拓宽频带。在分离阶段,碰撞后,桨叶与压电梁分离,桨叶在弹簧的作用下向下返回,压电梁在共振频率下产生阻尼自由振动。通过机械传输和压电效应,实现了外部机械能和收集的电能之间的转换。

为了进一步验证所设计的采集结构在低频环境中的性能及其拓宽频带的能力,研究人员根据设计搭建了物理样机,并在振动测试台上进行了测试。信号发生器产生的正弦激励信号通过功率放大器传输到励磁机,励磁机与上盖板相连,作为外部振动源。通过压电振动元件器收集压电梁产生的电压值。考虑到自然环境和设计目的是在低频环境中收集能量,实验中将激励频率控制在15Hz以下,步长为0.2hz。


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