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车路耦合振动对压电陶瓷机电转换性能影响的研究

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车路耦合振动对压电陶瓷机电转换性能影响的研究

作者：庞高磊武汉理工大学

学位级别：硕士

低成本、可持续的绿色能源(电池)是解决无线传感器网络和车载传感网供电的关键环节。而压电发电装置是一种能够收集环境振动能量,将机械能转化为电能的装置,并具有抗干扰,绿色环保和持续性供电的优势。目前,国内外对压电发电装置都做了... 详细信息

低成本、可持续的绿色能源(电池)是解决无线传感器网络和车载传感网供电的关键环节。而压电发电装置是一种能够收集环境振动能量,将机械能转化为电能的装置,并具有抗干扰,绿色环保和持续性供电的优势。目前,国内外对压电发电装置都做了相关的研究,但是对压电发电装置载体的研究却很少。由于传感网在军用和民用装备的强劲需求,作者研究了以军用和民用最典型的装备—车辆为载体的压电发电装置。压电发电装置的种类多种多样,但是在收集低频环境振动能量方面主要是采用悬臂梁结构形式的压电发电装置。基于上述研究特点,做了如下工作：首先,作者建立了道路功率谱模型和车辆七自由度空间动力学模型,分析了在车路耦合振动下车身质心振动的加速度及其频谱,并对比研究了路面等级和载货质量对车身质点加速度和悬架与车身连接处加速度的影响。其次,以车身振动的加速度及其频谱为基础,分析了压电悬臂梁的机械能和电能之间的转换机理,并且建立了压电悬臂梁发电的理论模型。采用主动设计的形式对悬臂梁的主要结构参数进行了初步设计,仿真分析了基于车路耦合振动的压电悬臂梁的输出电压和激振频率之间的关系,对比研究了悬臂梁各参数对输出电压和固有频率的影响。最后,总结并分析了论文中得到的结论,结果表明：车身振动一阶固有频率在1HZ-2HZ之间,路面激励下车身的振动主要为低频振动,其范围在0HZ-20HZ,加速度极限值在0.2g-0.4g之间。要满足车载压电发电装置的固有频率在路面激励下车身的振动频率范围之内,在满足设计和实际加工要求的前提下,可适当增大悬臂梁自由端质量块的重量,增加悬臂梁的长度,减少悬臂梁的宽度和中间金属层的厚度。

关键词：车路耦合压电悬臂梁机电转换

钽铌酸钾钠纳米材料的水热合成及机电转换特性研究

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钽铌酸钾钠纳米材料的水热合成及机电转换特性研究

作者：刘莎莉湖北大学

学位级别：硕士

钽铌酸钾钠[K0.5Na0.5（TaxNb1-x）O3, KNTN]由于居里温度高、压电常数大等优点,在机电能量转换、传感器和制动器等方面具有广泛的应用前景。本论文采用水热法合成KNTN纳米粉体,利用现代材料分析方法对样品的组分、物相和形貌等性质进... 详细信息

钽铌酸钾钠[K0.5Na0.5（TaxNb1-x）O3, KNTN]由于居里温度高、压电常数大等优点,在机电能量转换、传感器和制动器等方面具有广泛的应用前景。本论文采用水热法合成KNTN纳米粉体,利用现代材料分析方法对样品的组分、物相和形貌等性质进行表征,研究其光吸收特性,并对KNTN纳米线的机电转换特性进行初步研究。主要工作及研究结果如下： 1、采用水热法在一定条件下合成了K0.5Na0.5（TaxNb1-x）O3（x=0.09～0.89）纳米粉体,并利用XRD和SEM等手段对产物的物相和形貌等特征进行表征。XRD和SEM结果表明,随着Ta含量的增加,KNTN由正交相向四方相转变,再由四方相转变为立方相,其形貌由长方体结构逐渐转变为立方体结构。 2、利用紫外可见吸收光谱对产物的光吸收特性进行研究。结果表明,随着Ta含量的增加,产物吸收边发生明显蓝移,这可能与Ta5+对Nbs+的取代有关。 3、利用不同的表面活性剂水热合成KNTN纳米粉体。结果表明,PEG对KNTN的物相和形貌有很大影响,加入0.8g PEG可获得直径638nm,长12.3μm的K0.5Na0.5（Ta0.09Nb0.91）O3内米线。 4、采用微加工技术组装纳米发电机模型,并对KNTN纳米线的机电转换特性进行研究。实验结果表明,在瞬变外力作用（弯曲或按压）下,由于KNTN材料本身具有压电效应,纳米发电机能产生正向和负向的输出电压,输出电压最高幅值可达32mV。

关键词： K0.5Na0.5(TaxNb1-x)O3 纳米材料水热法机电转换

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电子远传水表机电转换可靠性试验装置设计

工业计量 2016年第1期26卷 32-33+44页

作者：吴晓杰胡涤新浙江省计量科学研究院

机电信号转换可靠性是关系到直读式电子远传水表产品质量好坏的关键指标。文章设计了一套基于数字图像识别的直读式电子远传水表机电转换可靠性试验非实流自动检测装置,介绍了该装置的组成和工作原理;设计了装置的机械定位转动机构,选... 详细信息

机电信号转换可靠性是关系到直读式电子远传水表产品质量好坏的关键指标。文章设计了一套基于数字图像识别的直读式电子远传水表机电转换可靠性试验非实流自动检测装置,介绍了该装置的组成和工作原理;设计了装置的机械定位转动机构,选用西门子S7-200作为下位机控制器的核心,实现系统的运动控制;采用Delphi7.0开发上位机软件程序,实现人机交互和数据存储。

关键词：电子远传水表机电转换可靠性试验装置

一种用于电子远传水表机电转换可靠性试验的装置

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计测技术 2016年第1期36卷 30-33页

作者：胡涤新吴晓杰浙江省计量科学研究院浙江杭州310018

机电信号转换可靠性是关系到直读式电子远传水表产品质量好坏的关键指标。本文研制了一套基于数字图像识别的直读式电子远传水表机电转换可靠性试验非实流自动检测装置,介绍了该装置的组成和工作原理;设计了装置的机械定位转动机构,选... 详细信息

机电信号转换可靠性是关系到直读式电子远传水表产品质量好坏的关键指标。本文研制了一套基于数字图像识别的直读式电子远传水表机电转换可靠性试验非实流自动检测装置,介绍了该装置的组成和工作原理;设计了装置的机械定位转动机构,选用西门子S7-200作为下位机控制器的核心,实现系统的运动控制;采用Delphi7.0开发上位机软件程序,实现人机交互和数据存储。

关键词：电子远传水表机电转换可靠性试验装置

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介电弹性体发电机机电转换的非线性方法研究

机电工程 2016年第2期33卷 191-196页

作者：刘爱飞鄂世举曹建波金丽丽葛彩军江孝琪兰州交通大学机电工程学院甘肃兰州730070 浙江师范大学工学院浙江金华321000

针对介电弹性体(DEG)研究中存在的"效率"瓶颈问题,对DEG机电能量转换方法进行了研究,提出了一种非线性DEG机电能量转换方法,并通过分析其基本机理,建立了非线性方法的理论模型和Matlab/Simulink仿真模型,对负载电阻值及翻转品质因子对... 详细信息

针对介电弹性体(DEG)研究中存在的"效率"瓶颈问题,对DEG机电能量转换方法进行了研究,提出了一种非线性DEG机电能量转换方法,并通过分析其基本机理,建立了非线性方法的理论模型和Matlab/Simulink仿真模型,对负载电阻值及翻转品质因子对机电转换效率的影响进行仿真。通过优化材料、机械传动结构、电路各元件参数配置及开关通断时间,提高了翻转品质因子Q,减少了电容电感串联形成电压翻转而造成的能量损失,进一步提高了机电效率。研究结果表明,通过对标准机电转换方法和非线性机电转换方法的比较,由于非线性转换环节的作用,使DEG两端电压的振幅大幅度提升,沿电压轴方向扩展了能量环,从而使DEG机电转换效率提高2.5倍;该研究结果对DEG的深入研究具有重要的意义。

关键词：介电弹性体发电机机电转换发电效率非线性方法

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预付费水表流量信号机电转换的优化设计

中国计量 2004年第2期 51-51,55页

作者：赵建亮浙江省质量技术监督检测研究院

预付费水表通常是指以普通水表为基表,加装电控阀和以单片机为核心的电控装置(简称控制器),以IC卡、代码等为信息传输媒介,实现消费水量预先置人,自动核减,定量消费的机电一体化仪表.

关键词：预付费水表流量信号机电转换优化设计双干簧管式电子线路延时判别

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压电纳米线尺寸与机电转换性能的有限元研究

湖北大学学报（自然科学版） 2015年第3期37卷 242-246页

作者：王钊吴嘉胜梅家立潘绪敏贺亚华王雨湖北大学物理与电子科学学院湖北武汉430062 香港理工大学应用物理系香港999077

采用有限元分析方法研究压电纳米线的形变方式和尺寸对机电转换性能的影响.结果表明,在相同外力作用下,压电纳米线径向弯曲产生的压电势是轴向弯曲的7倍,前者比后者具有更高的机电转换效率.压电纳米线径向弯曲模型中,应力和电场为非均... 详细信息

采用有限元分析方法研究压电纳米线的形变方式和尺寸对机电转换性能的影响.结果表明,在相同外力作用下,压电纳米线径向弯曲产生的压电势是轴向弯曲的7倍,前者比后者具有更高的机电转换效率.压电纳米线径向弯曲模型中,应力和电场为非均匀分布.纳米线长度的增加可提高其弯曲时产生的压电势,当纳米线长度较短时,应力和电场的非均匀分布使压电势随纳米线长度的增加非线性增大.当纳米线长度超过20 mm时,可忽略非均匀分布对机电转换效率的影响,压电势随纳米线长度的增加线性增加.

关键词：压电能量收集纳米线有限元分析机电转换

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驰振式介电弹性体微风发电装置设计

驰振式介电弹性体微风发电装置设计

作者：谭剑波浙江师范大学

学位级别：硕士

碳达峰、碳中和与低碳化已经成为我国能源发展的硬约束,化石能源燃烧引发了气候变暖和环境污染问题,因此新能源的开发成为了能源研究的热点,其中风能具有无污染、可再生、清洁的优势。现有商用风电设备主要针对4 m/s以上高速风能,很难... 详细信息

碳达峰、碳中和与低碳化已经成为我国能源发展的硬约束,化石能源燃烧引发了气候变暖和环境污染问题,因此新能源的开发成为了能源研究的热点,其中风能具有无污染、可再生、清洁的优势。现有商用风电设备主要针对4 m/s以上高速风能,很难实现对近地微风(转换为可利用的机械能。进一步,耦合该风能俘能装置和介电弹性体发电机,实现了将微风能量(>1.4 m/s)转换为电能,可为传感网络供电,实现对诸如野外无电网环境的供电需求。本文主要研究内容如下:1.基于流固耦合机理,建立微风俘能装置振子的动力学模型,为微风俘能装置的设计和优化提供理论支撑。首先,通过Ansys仿真,对微风俘能结构进行优化,得到采用梯形柱俘能结构方案可更高效地将风能转换为机械能。进行不同参数下的俘能结构振动特性实验,实验结果表明:(1)相较于方柱、圆柱结构,采用梯形柱结构的微风俘能装置具有更低的启动风速和更大的振幅;减小梯形柱坡度θ和增大迎风面积S可提高俘能装置对微风的收集能力。(2)低刚度系数的弹簧能降低微风俘能装置的启动风速,提高振子振幅,提升微风-机械能的转换能力。最终结果表明:采用迎风面积S=20×70 cm、梯形振子坡度θ为65°、弹簧刚度系数K=4.6 N/m等优化参数,在1.2 m/s的微风条件下获得11 cm的振子振幅。2.结合微风俘能装置和介电弹性体发电机单元,设计了驰振式介电弹性体微风发电装置,对其工作机制进行分析研究。基于介电弹性体发电机所具有的大变形、适于低频机械能收集等特点,耦合本文所设计的微风俘能装置的低频与大振幅的工作特征,设计了驰振式介电弹性体微风发电装置。系统分析了在微风作用下能量收集装置的能量转化及工作机制,即风能-机械能-电能转化机制,并得到俘能装置结构参数(包括:振子尺寸、弹簧刚度和杠杆比)与介电弹性体发电机电学性能的关系。得到以下结果:通过降低梯形振子坡度θ、提升振子迎风面积S、降低弹簧刚度系数K和增大杠杆比n,可有效提高介电弹性体发电机的电容变化量,进而提升该微风发电装置的能量转换效率。3.微风发电装置样机及其自供电远程传感系统的设计与构建。以电荷转移量为表征微风发电装置样机性能的核心参数,研究不同风速下俘能装置结构参数对发电性能的影响,得出以下结论:电荷转移量随着风速的增加而增加;随着迎风面积S和杠杆比n的增大、弹簧刚度系数K的降低而增加。对样机性能进行了测试,该微风发电装置的有效工作风速区间为1.4-2.6 m/s。在2 m/s的微风条件下,电荷密度、功率输出分别达到2.4 m C/m和23 m W。为了验证该发电装置工作性能的稳定性,在20-100%RH的湿度区间、历经五万次工作循环的耐用性测试后,发电装置的输出性能仍可保持稳定,显示出良好的环境适应性和工作可靠性。基于该样机,构建了无线远程自供电传感应用示范系统,利用自然微风为无线温度传感器供电,实现了1.7 km距离的无线信号传输,显示了广阔的应用前景。

关键词：能量收集机电转换介电弹性体发电机流固耦合

应用同步开关和中间电容的能量回收接口技术研究

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振动工程学报 2016年第3期29卷 386-394页

作者：王宏涛张宝强孟莹梅南京航空航天大学机电学院江苏南京210016

设计了一种基于同步开关和中间电容的接口电路——SSIC(Synchronized Switch and Intermediate Capacitor)接口电路,完成了该接口电路在恒定激振位移和恒定激振力条件下回收功率的理论分析和计算,并将其与压电振动能量回收技术中4种常... 详细信息

设计了一种基于同步开关和中间电容的接口电路——SSIC(Synchronized Switch and Intermediate Capacitor)接口电路,完成了该接口电路在恒定激振位移和恒定激振力条件下回收功率的理论分析和计算,并将其与压电振动能量回收技术中4种常用的接口电路标准、SECE、串联-SSHI、并联-SSHI进行了比较。计算和实验结果均表明SSIC和SECE接口电路均具有回收功率与负载变化无关的优点,此外SSIC接口电路显著提高了回收功率,在恒定位移激励情况下其回收功率约是SECE的2倍。

关键词：能量回收压电效应接口电路机电转换